JPWO2007029346A1 - Proton conductive hybrid material and catalyst layer for fuel cell using the same - Google Patents

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Abstract

低温から高温まで広範囲において高いプロトン伝導性をもたらすことができる有機−無機ハイブリッド材料の提供。粒径が小さい、即ちカーボン粉体などの一次粒子の細孔にも到達できる程度の粒径であって該粒径が制御されたプロトン伝導性材料の提供。これらの材料を含む燃料電池用触媒層及び燃料電池用電解質膜並びに燃料電池の提供。プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料であって、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記プロトン伝導性ハイブリッド材料により、上記課題を解決する。Provision of an organic-inorganic hybrid material capable of providing high proton conductivity in a wide range from low temperature to high temperature. Provided is a proton-conductive material having a small particle size, that is, a particle size that can reach the pores of primary particles such as carbon powder and the particle size is controlled. Provided are a fuel cell catalyst layer, a fuel cell electrolyte membrane, and a fuel cell containing these materials. A proton conductive hybrid material having proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. The above problems are solved by using materials.

Description

本発明は、プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料であって、粒径を小さく制御したプロトン伝導性ハイブリッド材料に関する。特に、本発明は、粒径が小さく制御されたプロトン伝導性ハイブリッド材料を一次細孔中に取り込んだ燃料電池用触媒層など及びそれらの製造方法に関する。   The present invention relates to a proton conductive hybrid material having proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer, and relates to a proton conductive hybrid material having a controlled particle size. In particular, the present invention relates to a fuel cell catalyst layer in which a proton conductive hybrid material having a small particle size is controlled and incorporated in primary pores, and a method for producing the same.

有機−無機ナノ複合材料は、高い伝導性を示し得ること、及び高温において熱的安定性を成し得ることから、近年、ポリマー電解質膜燃料電池(PEMFC)における実用化のため、プロトン伝導体として、新規な有機−無機ナノ複合材料の開発及び用途に多くの研究がなされている。   Since organic-inorganic nanocomposites can exhibit high conductivity and can achieve thermal stability at high temperatures, they have recently been used as proton conductors for practical application in polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC). Much research has been done on the development and use of novel organic-inorganic nanocomposites.

プロトン伝導性材料の特性を考慮すると、一般に、ポリマー材料は、湿潤下において所望の導電率を示すが、高温においては分解する点及び好適に湿潤状態でない場合に抵抗値が高くなる点が欠点である。一方、無機伝導体は、熱的及び機械的に安定であるが、これらは堅いがもろく、純粋な酸化物は高いプロトン伝導性を示さない。しかしながら、これらは、プロトン伝導性に関する限り、高温であっても水を保持する能力は魅力的である。よって、これらの材料のプロトン伝導性を向上させる適切な方法がなされるべきである。   Considering the properties of proton conducting materials, polymer materials generally exhibit the desired conductivity under wet conditions, but are disadvantageous in that they degrade at high temperatures and preferably have high resistance values when not wet. is there. Inorganic conductors, on the other hand, are thermally and mechanically stable, but they are stiff and brittle and pure oxides do not exhibit high proton conductivity. However, as far as proton conductivity is concerned, their ability to retain water even at high temperatures is attractive. Thus, appropriate methods for improving the proton conductivity of these materials should be made.

科学界の一般常識として、他の特性と共に、高温において、相当の伝導性を示すことができる新規なプロトン伝導性材料のニーズが高まっている。プロトン伝導性無機−有機ハイブリッド材料の合成は、Nafion(登録商標)における欠点を克服するための1つのオプションでため、高温で作用させるPEMFCで用いることができると考えられる。ハイブリッドにおいて、熱的安定性は、無機材料によってもたらされる一方、ポリマーは、柔軟性や加工性などの求めあれる特定の特性に寄与する。   As common general knowledge in the scientific community, there is a growing need for new proton conductive materials that can exhibit considerable conductivity at high temperatures along with other properties. The synthesis of proton conducting inorganic-organic hybrid materials is one option to overcome the shortcomings in Nafion®, so it is believed that it can be used in PEMFCs operating at high temperatures. In hybrids, thermal stability is provided by inorganic materials, while polymers contribute to certain required properties such as flexibility and processability.

また、自動車のためのPEFCは、初動の−25℃〜作動時の120℃までの連続作動が必要である。Nafion(登録商標)などが主に用いられるフッ素系イオノマーは、低温で良好なプロトン伝導性を示すが、高温では、プロトン伝導性の急激な低下と低耐熱性のため、用いることができない。また、フッ素系イオノマーは、製造コストが高く、フッ素を用いるため環境への負荷も大となる。炭化水素系イオノマーである代替材料のSPESは、手頃な価格であり、構造制御容易性、耐酸化性及び耐熱性を有するが、高いプロトン伝導性を示すためには水の活性度が必要となる(非特許文献1を参照のこと)。したがって、炭化水素系イオノマーは、高温及び常圧ではプロトン伝導性を維持できない。広温度範囲でプロトン伝導性を発現させるために、ハイブリッド構造材料を構成する必要がある。高温でプロトン伝導性を維持することができる無機材料(ヘテロポリ酸、硫酸水素、無機固体プロトン伝導体)でこれらの材料を修飾させる研究は数多くなされている(非特許文献2を参照のこと)。水和ジルコニア、本件において4価の金属の1種は、高温において、プロトン伝導性を維持することができる。また、水和ジルコニアは、高プロトン伝導性を示すZrS、ZrPの前駆体である。これらの研究は、電解質膜としてのイオノマーに主に用いられ、電極としての研究はほとんどない。電極において、電子移動経路としてのカーボン、ガス又はプロトン移動経路としてのイオノマー及び電力発生部位としての白金触媒からなる触媒層は、図1に示すように、一次細孔(20nm〜40nm)及び凝集サイズによる二次細孔(40nm)などの複雑な構造を有する。一次細孔の場合、小径の細孔が、高分子量のイオノマーの侵入を阻止し、内部の触媒までプロトン経路を形成することができない。よって、触媒の全利用率は20%オーダーしかない。電極におけるイオノマーのサイズが重要である。電極構造の背景に反して、イオノマーの構造由来の電極の構造分析及び燃料電池性能については未だ為されていない。
Cotter, C.J. EngineeringPlastics: A Handbook of Polyaryleters; Gordon & Breach: London, 1965。 Li, Q. He, R. Jensen,J.O.Bjerrum, N.J. Chemistry of Material 15(2003), 4896-4915。
In addition, PEFC for automobiles requires continuous operation from -25 ° C. at the initial motion to 120 ° C. at the time of operation. Fluorine ionomers mainly used with Nafion (registered trademark) show good proton conductivity at low temperatures, but cannot be used at high temperatures due to a rapid decrease in proton conductivity and low heat resistance. In addition, fluorine ionomers are expensive to manufacture and use fluorine, which increases the environmental load. Alternative material SPES, which is a hydrocarbon ionomer, is affordable and has structure controllability, oxidation resistance and heat resistance, but water activity is required to exhibit high proton conductivity. (See Non-Patent Document 1). Therefore, hydrocarbon ionomers cannot maintain proton conductivity at high temperatures and normal pressures. In order to develop proton conductivity in a wide temperature range, it is necessary to construct a hybrid structure material. There have been many studies on modifying these materials with inorganic materials (heteropolyacid, hydrogen sulfate, inorganic solid proton conductor) that can maintain proton conductivity at high temperatures (see Non-Patent Document 2). Hydrated zirconia, one of the tetravalent metals in this case, can maintain proton conductivity at high temperatures. Hydrated zirconia is a precursor of ZrS and ZrP showing high proton conductivity. These studies are mainly used for ionomers as electrolyte membranes, and there are few studies as electrodes. In the electrode, as shown in FIG. 1, the catalyst layer comprising carbon as an electron transfer path, ionomer as a gas or proton transfer path, and a platinum catalyst as a power generation site has primary pores (20 to 40 nm) and aggregate size. It has a complicated structure such as secondary pores (40 nm). In the case of primary pores, the small pores prevent high molecular weight ionomers from penetrating and cannot form a proton pathway to the internal catalyst. Thus, the total utilization of the catalyst is only on the order of 20%. The size of the ionomer at the electrode is important. Contrary to the background of the electrode structure, the structural analysis of the electrode derived from the ionomer structure and the fuel cell performance have not yet been made.
Cotter, CJ EngineeringPlastics: A Handbook of Polyaryleters; Gordon & Breach: London, 1965. Li, Q. He, R. Jensen, JOBjerrum, NJ Chemistry of Material 15 (2003), 4896-4915.

高活性触媒を用いるポリマー電解質燃料電池(PEFC)は、通常の温度で容易にスタートでき、小さいが大きなパワーを生じ、高い変換効率を示し、且つNOxやSOxなどの有害なガスが発生しないため、PEFCは、次世代のエネルギー源として注目を集めている。しかし、実用に際して種々の問題があり、応用のために特性を考慮することによりPEFC系を最適化する必要がある。PEFCは、移動型の応用及び定置型の応用、並びにモバイル型応用におけるエネルギー供給源として用いることができる。特に、自動車などの移動型の応用に対して、−25〜120℃の広範囲な温度領域及び低湿度において、高いプロトン伝導性を維持できる新規な電解質イオノマーの開発が求められている。
電気エネルギー創出に重要な役割を果たす膜及び電極に用いられる電解質イオノマーに対して、単一の材料がそのような特性を満足することは難しい。よって、単一の材料では提供できない新しい特性を有する材料を直接つなげたハイブリッド材料を構成することが必要となる。
A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) using a highly active catalyst can be easily started at normal temperatures, produces small but large power, exhibits high conversion efficiency, and does not generate harmful gases such as NOx and SOx. PEFC is attracting attention as the next generation energy source. However, there are various problems in practical use, and it is necessary to optimize the PEFC system by considering characteristics for application. PEFC can be used as an energy source in mobile and stationary applications, as well as mobile applications. In particular, development of a novel electrolyte ionomer capable of maintaining high proton conductivity in a wide temperature range of −25 to 120 ° C. and low humidity is demanded for mobile applications such as automobiles.
For electrolyte ionomers used in membranes and electrodes that play an important role in creating electrical energy, it is difficult for a single material to satisfy such properties. Therefore, it is necessary to construct a hybrid material in which materials having new characteristics that cannot be provided by a single material are directly connected.

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決することにある。
即ち、本発明の目的は、低温から高温まで広範囲において高いプロトン伝導性をもたらすことができる有機−無機ハイブリッド材料を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記目的に加えて、広範囲の温度範囲且つ低湿度下において、高いプロトン伝導性をもたらすことができる有機−無機ハイブリッド材料を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、上記目的の他に、又は上記目的に加え、粒径を小さい、即ちカーボン粉体などの一次粒子の細孔にも到達できる程度の粒径であって該粒径が制御されたプロトン伝導性材料を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記材料を用いた燃料電池用触媒層及び燃料電池用電解質膜、並びにこれらを用いた燃料電池を提供することにある。
さらに、本発明の目的は、上記の材料、触媒層、電解質膜及び燃料電池の製法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems.
That is, an object of the present invention is to provide an organic-inorganic hybrid material that can provide high proton conductivity in a wide range from low temperature to high temperature.
In addition to the above object, an object of the present invention is to provide an organic-inorganic hybrid material that can provide high proton conductivity in a wide temperature range and low humidity.
Furthermore, the object of the present invention is not only in addition to the above object, but in addition to the above object, the particle diameter is small, that is, a particle diameter that can reach the pores of primary particles such as carbon powder. Is to provide a controlled proton conducting material.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell catalyst layer and a fuel cell electrolyte membrane using the above materials, and a fuel cell using these.
Furthermore, the objective of this invention is providing the manufacturing method of said material, a catalyst layer, an electrolyte membrane, and a fuel cell.

より具体的には、本件において、我々の目的は、無機材料、即ちZr(OH)(水和ジルコニア)を組み込んだ有機材料、即ちSPES(スルホン化ポリ(アリーレンエーテルスルホン)を含むハイブリッドイオノマーを有する、広温度範囲でPEFCが作動する電極の開発にある。ハイブリッド電極により、イオノマー構造に由来する電極の構造分析及び燃料電池性能をテストする。More specifically, in this case, our aim is to develop a hybrid ionomer comprising an inorganic material, ie an organic material incorporating Zr (OH) 2 (hydrated zirconia), ie SPES (sulfonated poly (arylene ether sulfone)). In the development of an electrode that operates with PEFC in a wide temperature range, the hybrid electrode is used to test the structural analysis of the electrode derived from the ionomer structure and the fuel cell performance.

本発明者は、以下の発明により、上記課題を解決できることを見出した。
<1> プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料であって、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記プロトン伝導性ハイブリッド材料。好ましくは、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。
The present inventor has found that the above-described problems can be solved by the following invention.
<1> A proton conductive hybrid material having proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer, wherein the Stokes particle size of the proton conductive hybrid material by a dynamic light scattering method is 20 nm or less, preferably 10 nm or less. The proton conductive hybrid material is more preferably 5 nm or less. Preferably, the proton conducting polymer is disposed in the vicinity of the proton conducting inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conducting polymer is disposed around the proton conducting inorganic nanoparticles.

<2> 上記<1>において、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<3> 上記<2>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<2> In the above item <1>, the proton conductive inorganic nanoparticles include zirconium compound, titanium compound, cerium compound, uranium compound, tin compound, vanadium compound, antimony compound, calcium hydroxyapatite, and hydrated calcium hydroxyapatite. It is at least one selected from the group consisting of, preferably a zirconium compound.
<3> In the above item <2>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr. (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P— R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R 3 —COOH) x NH 2 O (wherein R 1 , R 2 , and R 3 each independently represent a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represent a divalent aromatic group) R 3 represents an alkylene group) and is preferably at least one selected from the group consisting of

<4> 上記<2>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<2>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<2>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<2>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<2>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<2>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<2>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<4> In the above item <2>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <2>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <2>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <2>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <2>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <2>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <2>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<5> 上記<1>〜<4>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<6> 上記<1>〜<5>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<7> 上記<1>〜<6>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<5> In any one of the above items <1> to <4>, the proton conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, by a dynamic light scattering method. Is good.
<6> In any one of the above items <1> to <5>, the proton conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<7> In any one of the above items <1> to <6>, the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent, preferably heat resistant. It may be one or more of the functional hydrocarbon-based polymer group.

<8> 上記<7>において、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群、好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<9> 上記<1>〜<8>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<10> 上記<1>〜<9>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<11> 上記<1>〜<10>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、10−3S/cm〜1S/cmであるのがよい。
<8> In the above <7>, the polar organic solvent is a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide, preferably N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1 -Preferably selected from the group consisting of methylpyrrolidone.
<9> In any one of the above items <1> to <8>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<10> In any one of the above items <1> to <9>, the proton conductive polymer may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.
<11> In any one of the above items <1> to <10>, the proton conductive hybrid material is 10 −3 S / cm to 1 S / cm at a temperature of −20 to 150 ° C. under low and high humidity. There should be.

<12> プロトン伝導性ハイブリッド材料及び極性有機溶媒を有する分散体であって、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料がN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる前記極性有機溶媒に均一に分散され、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記分散体。好ましくは、前記プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。   <12> A dispersion having a proton conductive hybrid material and a polar organic solvent, wherein the proton conductive hybrid material is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. Uniformly dispersed in the selected polar organic solvent, the proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer, and the Stokes by the dynamic light scattering method of the proton conductive hybrid material. The above dispersion having a particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less. Preferably, the proton conductive polymer is disposed in the vicinity of the proton conductive inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conductive polymer is disposed around the proton conductive inorganic nanoparticles.

<13> 上記<12>において、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<14> 上記<13>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<13> In the above item <12>, the proton conductive inorganic nanoparticles include zirconium compound, titanium compound, cerium compound, uranium compound, tin compound, vanadium compound, antimony compound, calcium hydroxyapatite, and hydrated calcium hydroxyapatite. It is at least one selected from the group consisting of, preferably a zirconium compound.
<14> In the above item <13>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<15> 上記<13>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<13>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<13>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<13>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<13>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<13>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<13>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<16> 上記<12>〜<15>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<15> In the above item <13>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <13>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <13>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <13>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <13>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <13>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <13>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).
<16> In any one of the above items <12> to <15>, the proton conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, by a dynamic light scattering method. Is good.

<17> 上記<12>〜<16>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<18> 上記<12>〜<17>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、前記極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<17> In any one of the above items <12> to <16>, the proton-conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<18> In any one of the above items <12> to <17>, the proton conductive polymer may be one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in the polar organic solvent, preferably It may be one or more of the group of heat resistant hydrocarbon polymers.

<19> 上記<12>〜<18>のいずれかにおいて、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<20> 上記<12>〜<19>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<21> 上記<12>〜<20>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<19> In any one of the above items <12> to <18>, the polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone.
<20> In any one of the above items <12> to <19>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<21> In any one of the above items <12> to <20>, the proton conductive polymer may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.

<22> プロトン伝導性ハイブリッド材料及び極性有機溶媒を有する分散体の製造方法であって、該方法は、
プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注いで、前記有機溶媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する前記分散体を得る工程を有し、
前記材料は、前記プロトン伝導性無機ナノ粒子及び前記プロトン伝導性ポリマーを有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記方法。好ましくは、前記プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。
<22> A method for producing a dispersion having a proton conductive hybrid material and a polar organic solvent, the method comprising:
Dissolving a proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductivity to a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent Dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion, or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, and the organic solvent and proton conductivity. Obtaining the dispersion with a hybrid material,
The material has the proton conductive inorganic nanoparticles and the proton conductive polymer, and the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm, by a dynamic light scattering method. The method as described below. Preferably, the proton conductive polymer is disposed in the vicinity of the proton conductive inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conductive polymer is disposed around the proton conductive inorganic nanoparticles.

<23> 上記<22>において、前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有するのがよい。
<24> 上記<23>において、前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれるのがよく、好ましくはイソプロパノールであるのがよい。
<23> In the above item <22>, in addition to the dispersion obtained from the poor organic solvent for the proton conductive polymer, the method further includes a step of obtaining a dispersion having a proton conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size. Is good.
<24> In the above item <23>, the poor organic solvent may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol, and hexane, preferably isopropanol.

<25> 上記<22>〜<24>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<26> 上記<25>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<25> In any one of the above items <22> to <24>, the proton-conductive inorganic nanoparticles include a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and calcium hydroxyapatite. And at least one selected from the group consisting of hydrated calcium / hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.
<26> In the above item <25>, the zirconium compound includes ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<27> 上記<25>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<25>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<25>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<25>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<25>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<25>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<25>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<27> In the above <25>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <25>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above item <25>, uranium compounds, selected from H 3 OUO 4 PO 4, H 3 OUO 4 PO 4 · nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 · nH 2 O consisting of the group It is good that it is at least one kind. In the above <25>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <25>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <25>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <25>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<28> 上記<22>〜<27>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<29> 上記<22>〜<28>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<30> 上記<22>〜<29>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、前記極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<28> In any one of the above items <22> to <27>, the proton conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, by a dynamic light scattering method. Is good.
<29> In any one of the above items <22> to <28>, the proton-conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<30> In any one of the above items <22> to <29>, the proton conductive polymer may be one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in the polar organic solvent, preferably It may be one or more of the group of heat resistant hydrocarbon polymers.

<31> 上記<22>〜<30>のいずれかにおいて、前記第1及び/又は第2の極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<32> 上記<22>〜<31>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<33> 上記<22>〜<32>のいずれかにおける、ナノ粒子分散体にポリマー溶液を注ぐ工程又はポリマー溶液にナノ粒子分散体を注ぐ工程において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<31> In any one of the above items <22> to <30>, the first and / or second polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. It is good.
<32> In any one of the above items <22> to <31>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<33> In any one of the above items <22> to <32>, in the step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or the step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the proton conductive polymer is the proton conductive inorganic It is preferable that a part of or all of the proton conductive polymer reacts with the nanoparticles and chemically bonds with the proton conductive inorganic nanoparticles.

<34> プロトン伝導性ポリマー及びプロトン伝導性無機ナノ粒子を有するプロトン伝導性ハイブリッド材料の製造方法であって、該方法は、
プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注いで、前記有機溶媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する前記分散体を得る工程;及び
得られた分散体から前記第1及び第2の極性有機溶媒を除去し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料を得る工程;を有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記方法。好ましくは、前記プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。
<34> A method for producing a proton conductive hybrid material having a proton conductive polymer and proton conductive inorganic nanoparticles, the method comprising:
Dissolving a proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductivity in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent Dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion, or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, and the organic solvent and proton conductivity. Obtaining the dispersion having a hybrid material; and removing the first and second polar organic solvents from the obtained dispersion to obtain the proton conductive hybrid material;
The above method, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Preferably, the proton conductive polymer is disposed in the vicinity of the proton conductive inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conductive polymer is disposed around the proton conductive inorganic nanoparticles.

<35> 上記<34>において、前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有するのがよい。
<36> 上記<35>において、前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれるのがよく、好ましくはイソプロパノールであるのがよい。
<35> In the above item <34>, in addition to the dispersion obtained from the poor organic solvent for the proton conductive polymer, the method further includes a step of obtaining a dispersion having a proton conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size. Is good.
<36> In the above item <35>, the poor organic solvent may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane, and preferably is isopropanol.

<37> 上記<33>〜<36>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<38> 上記<37>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<37> In any one of the above items <33> to <36>, the proton conductive inorganic nanoparticles include a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and calcium hydroxyapatite. And at least one selected from the group consisting of hydrated calcium / hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.
<38> In the above <37>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<39> 上記<37>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<37>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<37>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<37>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<37>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<37>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<37>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<39> In the above <37>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <37>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <37>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <37>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 · nH 2 O. In the above <37>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <37>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <37>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<40> 上記<34>〜<39>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<41> 上記<34>〜<40>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<42> 上記<34>〜<41>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、前記極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<40> In any one of the above items <34> to <39>, the proton conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, by a dynamic light scattering method. Is good.
<41> In any one of the above items <34> to <40>, the proton conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<42> In any one of the above items <34> to <41>, the proton conductive polymer may be one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in the polar organic solvent, preferably It may be one or more of the group of heat resistant hydrocarbon polymers.

<43> 上記<34>〜<42>のいずれかにおいて、前記第1及び/又は第2の極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<44> 上記<34>〜<43>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<45> 上記<34>〜<44>のいずれかにおける、ナノ粒子分散体にポリマー溶液を注ぐ工程又はポリマー溶液にナノ粒子分散体を注ぐ工程において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<43> In any one of the above items <34> to <42>, the first and / or second polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. It is good.
<44> In any one of the above items <34> to <43>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<45> In any one of the above <34> to <44>, in the step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or the step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the proton conductive polymer is the proton conductive inorganic It is preferable that a part of or all of the proton conducting polymer reacts with the nanoparticles and chemically bonds with the proton conducting inorganic nanoparticles.

<46> 電子伝導体、触媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層であって、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記触媒層。好ましくは、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。
<46> A fuel cell catalyst layer comprising an electron conductor, a catalyst, and a proton conductive hybrid material,
The proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer;
The catalyst layer, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, and more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Preferably, the proton conducting polymer is disposed in the vicinity of the proton conducting inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conducting polymer is disposed around the proton conducting inorganic nanoparticles.

<47> 上記<46>において、前記触媒層は、前記触媒が前記電子伝導体の表面に担持され、且つ前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記触媒が配置される位置の近傍に配置されるように、構成されるのがよい。
<48> 上記<46>又は<47>において、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記電子伝導体と物理的に及び/又は化学的に結合しているのがよい。
<49> 上記<46>〜<48>のいずれかにおいて、前記電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体又は金属系多孔質電子伝導体であるのがよく、好ましくはカーボン系多孔質電子伝導体であるのがよい。
<47> In the above <46>, the catalyst layer is arranged such that the catalyst is supported on the surface of the electron conductor, and the proton conductive hybrid material is arranged in the vicinity of a position where the catalyst is arranged. It is good to be configured.
<48> In the above <46> or <47>, the proton conductive hybrid material may be physically and / or chemically bonded to the electron conductor.
<49> In any one of the above items <46> to <48>, the electron conductor may be a carbon-based porous electron conductor or a metal-based porous electron conductor, preferably a carbon-based porous electron. It should be a conductor.

<50> 上記<49>において、カーボン系多孔質電子伝導体は、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭及びグラスカーボンからなる群から選ばれるのがよい。
<51> 上記<46>〜<50>のいずれかにおいて、前記電子伝導体は、その粒径が300nm以下、好ましくは100nm以下、より好ましくは30nm以下であるのがよい。
<52> 上記<46>〜<51>のいずれかにおいて、前記触媒は、貴金属系触媒群及び有機触媒群からなる群から選ばれるのがよい。貴金属系触媒として、Pt、Pt−Ruなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
<50> In the above item <49>, the carbon-based porous electron conductor may be selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, activated carbon, and glass carbon.
<51> In any one of the above items <46> to <50>, the electron conductor may have a particle size of 300 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 30 nm or less.
<52> In any one of the above items <46> to <51>, the catalyst may be selected from the group consisting of a noble metal catalyst group and an organic catalyst group. Examples of the noble metal catalyst include, but are not limited to, Pt and Pt—Ru.

<53> 上記<46>〜<52>のいずれかにおいて、前記触媒は、その粒径が30nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは3nm以下であるのがよい。
<54> 上記<46>〜<53>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<55> 上記<54>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<53> In any one of the above items <46> to <52>, the catalyst may have a particle size of 30 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 3 nm or less.
<54> In any one of the above items <46> to <53>, the proton conductive inorganic nanoparticles include a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and calcium hydroxyapatite. And at least one selected from the group consisting of hydrated calcium / hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.
<55> In the above item <54>, the zirconium compound includes ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<56> 上記<54>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<54>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<54>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<54>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<54>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<54>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<54>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<56> In the above <54>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 · nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <54>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <54>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <54>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <54>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <54>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <54>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<57> 上記<46>〜<56>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<58> 上記<46>〜<57>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<59> 上記<46>〜<58>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<57> In any one of the above items <46> to <56>, the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Is good.
<58> In any one of the above <46> to <57>, the proton-conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<59> In any one of the above items <46> to <58>, the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent, preferably heat resistant. It may be one or more of the functional hydrocarbon-based polymer group.

<60> 上記<59>において、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群、好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<61> 上記<46>〜<60>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<62> 上記<46>〜<61>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<60> In the above item <59>, the polar organic solvent is a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide, preferably N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1 -Preferably selected from the group consisting of methylpyrrolidone.
<61> In any one of the above items <46> to <60>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<62> In any one of the above items <46> to <61>, the proton conductive polymer may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.

<63> 電子伝導体、触媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層の製造方法であって、該方法は、
a)前記触媒を前記電子伝導体に担持させる工程;
b)プロトン伝導性ハイブリッド材料が極性有機溶媒に分散したプロトン伝導性ハイブリッド材料分散体を準備する工程;
c)前記分散体を、前記触媒を担持した前記電子伝導体と混合し、混合体を得る工程;及び
d)該混合体を燃料電池用拡散層に塗布し、燃料電池用触媒層を得る工程;を有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記方法。好ましくは、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。
<63> A method for producing a fuel cell catalyst layer comprising an electron conductor, a catalyst, and a proton conductive hybrid material, the method comprising:
a) supporting the catalyst on the electron conductor;
b) preparing a proton conductive hybrid material dispersion in which the proton conductive hybrid material is dispersed in a polar organic solvent;
c) mixing the dispersion with the electronic conductor carrying the catalyst to obtain a mixture; and d) applying the mixture to a fuel cell diffusion layer to obtain a fuel cell catalyst layer. Having
The proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer;
The above method, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Preferably, the proton conducting polymer is disposed in the vicinity of the proton conducting inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conducting polymer is disposed around the proton conducting inorganic nanoparticles.

<64> 上記<63>において、前記工程c)の際、又は前記工程c)後であって前記工程d)前に、前記混合物に結合剤を混合する工程をさらに有するのがよい。
<65> 上記<63>又は<64>において、前記混合物中の溶媒を除去して該混合物の粘度を調整する工程をさらに有するのがよい。
<66> 上記<63>〜<65>のいずれかにおいて、前記工程b)は
前記プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注ぐ工程をさらに有するのがよい。
<64> In the above <63>, the method may further include a step of mixing a binder with the mixture at the time of the step c) or after the step c) and before the step d).
<65> In the above item <63> or <64>, the method may further include a step of adjusting the viscosity of the mixture by removing the solvent in the mixture.
<66> In any one of the above items <63> to <65>, in the step b), the proton conductive polymer is made of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. A step of obtaining a polymer solution by dissolving in a first polar organic solvent selected from:
Proton conductivity in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent It is preferable to further include a step of dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and a step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or a step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution.

<67> 上記<66>において、前記工程b)は、前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有するのがよい。
<68> 上記<67>において、前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれるのがよく、好ましくはイソプロパノールであるのがよい。
<69> 上記<63>〜<68>のいずれかにおける工程b)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<67> In the above <66>, in the step b), in addition to the dispersion obtained from the poor organic solvent for the proton conductive polymer, a dispersion having a proton conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size is obtained. It is good to have the process of obtaining.
<68> In the above <67>, the poor organic solvent may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane, and preferably isopropanol.
<69> In step b) in any of the above <63> to <68>, the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and a part or all of one end of the proton conductive polymer is It may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.

<70> 上記<63>〜<69>のいずれかにおいて、前記触媒層は、前記触媒が前記電子伝導体の表面に担持され、且つ前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記触媒が配置される位置の近傍に配置されるように、構成されるのがよい。
<71> 上記<63>〜<70>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記電子伝導体と物理的に及び/又は化学的に結合しているのがよい。
<72> 上記<63>〜<71>のいずれかにおいて、前記電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体又は金属系多孔質電子伝導体であるのがよく、好ましくはカーボン系多孔質電子伝導体であるのがよい。
<70> In any one of the above items <63> to <69>, in the catalyst layer, the catalyst is supported on the surface of the electron conductor, and the proton conductive hybrid material is a position where the catalyst is disposed. It is good to be arranged so that it is arranged in the vicinity.
<71> In any one of the above items <63> to <70>, the proton conductive hybrid material may be physically and / or chemically bonded to the electron conductor.
<72> In any one of the above items <63> to <71>, the electron conductor may be a carbon-based porous electron conductor or a metal-based porous electron conductor, preferably a carbon-based porous electron. It should be a conductor.

<73> 上記<72>において、カーボン系多孔質電子伝導体は、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭及びグラスカーボンからなる群から選ばれるのがよい。
<74> 上記<63>〜<73>のいずれかにおいて、前記電子伝導体は、その粒径が300nm以下、好ましくは100nm以下、より好ましくは30nm以下であるのがよい。
<75> 上記<63>〜<74>のいずれかにおいて、前記触媒は、貴金属系触媒群及び有機触媒群からなる群から選ばれるのがよい。貴金属系触媒として、Pt、Pt−Ruなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
<73> In the above <72>, the carbon-based porous electron conductor may be selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, activated carbon, and glass carbon.
<74> In any one of the above items <63> to <73>, the electron conductor may have a particle size of 300 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 30 nm or less.
<75> In any one of the above items <63> to <74>, the catalyst may be selected from the group consisting of a noble metal catalyst group and an organic catalyst group. Examples of the noble metal catalyst include, but are not limited to, Pt and Pt—Ru.

<76> 上記<63>〜<75>のいずれかにおいて、前記触媒は、その粒径が30nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは3nm以下であるのがよい。
<77> 上記<63>〜<76>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<78> 上記<77>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<76> In any one of the above items <63> to <75>, the catalyst may have a particle size of 30 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 3 nm or less.
<77> In any one of the above items <63> to <76>, the proton-conductive inorganic nanoparticles include a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and calcium hydroxyapatite. And at least one selected from the group consisting of hydrated calcium / hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.
<78> In the above <77>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<79> 上記<77>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<77>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<77>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<77>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<77>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<77>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<77>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<79> In the above <77>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <77>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <77>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <77>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <77>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <77>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <77>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<80> 上記<63>〜<79>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<81> 上記<63>〜<80>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<82> 上記<63>〜<81>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<80> In any one of the above items <63> to <79>, the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Is good.
<81> In any one of the above items <63> to <80>, the proton conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<82> In any one of the above items <63> to <81>, the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent, preferably heat resistant. It may be one or more of the functional hydrocarbon-based polymer group.

<83> 上記<66>〜<82>のいずれかにおいて、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群、好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<84> 上記<66>〜<83>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<83> In any one of the above items <66> to <82>, the polar organic solvent is a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide, preferably N, N— It may be selected from the group consisting of dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone.
<84> In any one of the above items <66> to <83>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.

<85> プロトン伝導性ハイブリッド材料を有する、燃料電池用電解質膜であって、該プロトン伝導性ハイブリッド材料はプロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記電解質膜。好ましくは、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。   <85> An electrolyte membrane for a fuel cell having a proton-conductive hybrid material, the proton-conductive hybrid material having proton-conductive inorganic nanoparticles and a proton-conductive polymer. The above electrolyte membrane having a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Preferably, the proton conducting polymer is disposed in the vicinity of the proton conducting inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conducting polymer is disposed around the proton conducting inorganic nanoparticles.

<86> 上記<85>において、電解質膜は基材を有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記基材に化学的及び/又は物理的に結合するのがよい。
<87> 上記<86>において、前記基材は、多孔性ポリマー及び多孔性セラミックからなる群から選ばれるのがよい。多孔性ポリマーとして、ポリイミド、ポリエチレンなどを挙げることができる。多孔性セラミックとしてアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどを挙げることができる。
<88> 上記<85>〜<87>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<86> In the above item <85>, the electrolyte membrane may have a base material, and the proton conductive hybrid material may be chemically and / or physically bonded to the base material.
<87> In the above <86>, the substrate may be selected from the group consisting of a porous polymer and a porous ceramic. Examples of the porous polymer include polyimide and polyethylene. Examples of the porous ceramic include alumina, silica, zirconia, and titania.
<88> In any one of the above items <85> to <87>, the proton conductive inorganic nanoparticles include a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and calcium hydroxyapatite. And at least one selected from the group consisting of hydrated calcium / hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.

<89> 上記<88>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<89> In the above <88>, the zirconium compound includes ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<90> 上記<88>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<88>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<88>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<88>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<88>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<88>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<88>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<90> In the above <88>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <88>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <88>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <88>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <88>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <88>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <88>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<91> 上記<85>〜<90>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<92> 上記<85>〜<91>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<93> 上記<85>〜<92>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<91> In any one of the above items <85> to <90>, the proton conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, by a dynamic light scattering method. Is good.
<92> In any one of the above items <85> to <91>, the proton conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<93> In any one of the above items <85> to <92>, the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent, preferably heat resistant. It may be one or more of the functional hydrocarbon polymer group.

<94> 上記<93>において、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群、好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。   <94> In the above <93>, the polar organic solvent is a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide, preferably N, N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide and 1 -Preferably selected from the group consisting of methylpyrrolidone.

<95> 上記<85>〜<94>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<96> 上記<85>〜<95>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<97> 上記<85>〜<96>のいずれかにおいて、前記燃料電池用電解質膜は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、10−2S/cm〜5S/cmであるのがよい。
<95> In any one of the above items <85> to <94>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<96> In any one of the above items <85> to <95>, the proton conductive polymer may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.
<97> In any one of the above items <85> to <96>, the electrolyte membrane for a fuel cell is 10 −2 S / cm to 5 S / cm at a temperature of −20 to 150 ° C. under low and high humidity. There should be.

<98> 多孔性基材及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用電解質膜の製造方法であって、該方法は、
x)前記プロトン伝導性ハイブリッド材料が極性有機溶媒に分散されるプロトン伝導性ハイブリッド材料分散体を準備する工程;及び
y)前記分散体を前記基材の孔又は前記基材の孔及び表面に塗布し、燃料電池用電解質膜を得る工程;を有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下である、上記方法。好ましくは、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。
<98> A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell comprising a porous substrate and a proton conductive hybrid material, the method comprising:
x) preparing a proton conductive hybrid material dispersion in which the proton conductive hybrid material is dispersed in a polar organic solvent; and y) applying the dispersion to the holes of the substrate or the holes and surface of the substrate. And obtaining a fuel cell electrolyte membrane,
The proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer;
The above method, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Preferably, the proton conducting polymer is disposed in the vicinity of the proton conducting inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conducting polymer is disposed around the proton conducting inorganic nanoparticles.

<99> 上記<98>において、前記工程x)は、
前記プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注ぐ工程をさらに有するのがよい。
<99> In the above <98>, the step x)
Dissolving the proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductivity in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent It is preferable to further include a step of dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and a step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or a step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution.

<100> 上記<99>において、前記工程b)は、前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を、得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有するのがよい。
<101> 上記<100>において、前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれるのがよく、好ましくはイソプロパノールであるのがよい。
<102> 上記<98>〜<101>のいずれかにおける工程x)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
<100> In the above <99>, in the step b), a dispersion having a proton conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size in addition to a poor organic solvent for the proton conductive polymer in addition to the obtained dispersion It is good to have the process of obtaining.
<101> In the above <100>, the poor organic solvent may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane, preferably isopropanol.
<102> In step x) in any one of the above <98> to <101>, the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and a part or all of one end of the proton conductive polymer is It may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.

<103> 上記<98>〜<102>のいずれかにおける工程y)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記基材の孔及び/又は表面と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記基材と化学的に結合するのがよい。
<104> 上記<98>〜<103>のいずれかにおいて、前記基材は、多孔性ポリマー及び多孔性セラミックからなる群から選ばれるのがよい。多孔性ポリマーとして、ポリイミド、ポリエチレンなどを挙げることができる。多孔性セラミックとしてアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどを挙げることができる。
<105> 上記<98>〜<104>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<103> In step y) in any one of the above <98> to <102>, the proton conductive polymer reacts with the pores and / or the surface of the base material, and a part or all of the proton conductive polymer One end is preferably chemically bonded to the substrate.
<104> In any one of the above items <98> to <103>, the base material may be selected from the group consisting of a porous polymer and a porous ceramic. Examples of the porous polymer include polyimide and polyethylene. Examples of the porous ceramic include alumina, silica, zirconia, and titania.
<105> In any one of the above items <98> to <104>, the proton conductive inorganic nanoparticles include a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and calcium hydroxyapatite. And at least one selected from the group consisting of hydrated calcium / hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.

<106> 上記<105>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<106> In the above <105>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<107> 上記<105>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<105>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<105>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<105>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<105>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<105>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<105>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。<107> In the above <105>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <105>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <105>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <105>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 · nH 2 O. In the above <105>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <105>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <105>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).

<108> 上記<98>〜<107>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
<109> 上記<98>〜<108>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<110> 上記<98>〜<109>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<108> In any one of the above items <98> to <107>, the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by a dynamic light scattering method. Is good.
<109> In any one of the above <98> to <108>, the proton conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<110> In any one of the above items <98> to <109>, the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent, preferably heat resistant. It may be one or more of the functional hydrocarbon-based polymer group.

<111> 上記<99>〜<110>のいずれかにおいて、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<112> 上記<98>〜<111>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<111> In any one of the above items <99> to <110>, the polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone.
<112> In any one of the above items <98> to <111>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.

<113> プロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体と極性有機溶媒とを有する分散体であって、前記プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は前記極性有機溶媒に均一に分散し、且つプロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下、最も好ましくは2nm以下である、上記分散体。
<114> 上記<113>において、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれるのがよい。
<113> A dispersion having proton conductive inorganic nanoparticles or the proton conductive inorganic nanoparticle precursor and a polar organic solvent, wherein the proton conductive inorganic nanoparticles or the precursor thereof are uniform in the polar organic solvent. And the proton-conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof having a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and most preferably 2 nm or less, as determined by dynamic light scattering, Dispersion.
<114> In the above <113>, the polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide.

<115> 上記<113>又は<114>において、プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<116> 上記<115>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<115> In the above <113> or <114>, the proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are zirconium compound, titanium compound, cerium compound, uranium compound, tin compound, vanadium compound, antimony compound, and calcium hydroxy It may be at least one selected from the group consisting of apatite and hydrated calcium / hydroxyapatite, and is preferably a zirconium compound.
<116> In the above <115>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<117> 上記<115>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<115>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<115>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<115>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<115>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<115>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<115>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<118> 上記<113>〜<117>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<117> In the above <115>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <115>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above <115>, the uranium compound is selected from the group consisting of H 3 OUO 4 PO 4 , H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one kind. In the above <115>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <115>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <115>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <115>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).
<118> In any one of the above <113> to <117>, the proton conductive inorganic nanoparticles are on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.

<119> プロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体と極性有機溶媒とを有する分散体の製造方法であって、該方法は、
i)プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体を調製する工程;及び
ii)前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を前記極性有機溶媒に均一に分散する工程を有し、
プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下、最も好ましくは2nm以下である、上記方法。
<119> A method for producing a dispersion having proton conductive inorganic nanoparticles or a proton conductive inorganic nanoparticle precursor and a polar organic solvent, the method comprising:
i) preparing proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof; and
ii) having the step of uniformly dispersing the proton conductive nano-inorganic particles or precursors thereof in the polar organic solvent,
The above method, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and most preferably 2 nm or less by a dynamic light scattering method.

<120> 上記<119>において、前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を調製する工程は、
金属アルコキシド(金属は、ジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ヒ素及びカルシウムからなる群から選ばれる)の有機溶媒の溶液を調製する工程;及び
前記溶液を加水分解して前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を得る工程;をさらに有するのがよい。
<121> 上記<119>又は<120>において、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれるのがよい。
<120> In the above <119>, the step of preparing the proton-conductive nano-inorganic particles or a precursor thereof,
Preparing a solution of an organic solvent of a metal alkoxide (where the metal is selected from the group consisting of zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, arsenic and calcium); and hydrolyzing the solution to provide the proton conductivity A step of obtaining nano-inorganic particles or a precursor thereof.
<121> In the above <119> or <120>, the polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide.

<122> 上記<119>〜<121>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。
<123> 上記<122>において、前記ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nH2O、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<122> In any one of the above <119> to <121>, the proton conductive inorganic nanoparticles or a precursor thereof may be a zirconium compound, a titanium compound, a cerium compound, a uranium compound, a tin compound, a vanadium compound, an antimony compound, and It may be at least one selected from the group consisting of calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite, preferably a zirconium compound.
<123> In the above <122>, the zirconium compound contains ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 -SO 3 H) 2-x ( O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 and R 3 each independently represents a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represents a divalent aromatic group and R 3 is preferably at least one selected from the group consisting of an alkylene group.

<124> 上記<122>において、前記チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<115>において、セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<122>において、ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<122>において、スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。上記<122>において、バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。上記<122>において、アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<122>において、カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
<125> 上記<119>〜<124>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<124> In the above <122>, the titanium compound includes TiO 2 , TiO 2 · nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and It may be at least one selected from the group consisting of Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <115>, the cerium compound is at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O. Good. In the above item <122>, uranium compounds, selected from H 3 OUO 4 PO 4, H 3 OUO 4 PO 4 · nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO 4 · nH 2 O consisting of the group It is good that it is at least one kind. In the above <122>, the tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O. In the above <122>, the vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O. In the above item <122>, antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x At least one selected from the group consisting of Sb x P 2 O 3 and H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good to be. In the above <122>, calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or Or at least one selected from the group consisting of -F).
<125> In any one of the above items <119> to <124>, the proton-conductive inorganic nanoparticles are in the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.

<126> プロトン伝導性無機メソポーラス材料及びプロトン伝導性ポリマーを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料であって、前記プロトン伝導性無機メソポーラス材料の細孔径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下、最も好ましくは2nm以下である、上記材料。好ましくは、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機メソポーラス材料の細孔近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、前記プロトン伝導性ポリマーの周りに前記プロトン伝導性無機ポーラス材料が配置されるのがよい。   <126> A proton conductive hybrid material having a proton conductive inorganic mesoporous material and a proton conductive polymer, wherein the proton conductive inorganic mesoporous material has a pore diameter of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less. Most preferably, the material is 2 nm or less. Preferably, the proton conductive polymer is disposed in the vicinity of the pores of the proton conductive inorganic mesoporous material, and more preferably, the proton conductive inorganic porous material is disposed around the proton conductive polymer. It is better.

<127> 上記<126>において、プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、メソポーラスジルコニウム化合物、メソポーラスチタン化合物、メソポーラスセリウム化合物、メソポーラスウラン化合物、メソポーラススズ化合物、メソポーラスバナジウム化合物、メソポーラスアンチモン化合物、並びにメソポーラスカルシウム・ヒドロキシアパタイト及びメソポーラス水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはメソポーラスジルコニウム化合物であるのがよい。特に、メソポーラス化合物は、官能基を有するのがよい。官能基として、−SOH、−POなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
<128> 上記<127>において、前記メソポーラスジルコニウム化合物は、メソポーラスZrO、メソポーラスZrO・nHO、メソポーラスZr(HPO、メソポーラスZr(HPO・nHO、メソポーラスZr(HSO、メソポーラスZr(HSO・nHO、メソポーラスZr(OP−R−SOH)、メソポーラスZr(OP−R−SOH)・nHO、メソポーラスZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びメソポーラスZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。特に、メソポーラスジルコニウム化合物は、官能基を有するのがよい。官能基として、−SOH、−POなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
<127> In the above <126>, the proton conductive inorganic mesoporous material includes a mesoporous zirconium compound, a mesoporous titanium compound, a mesoporous cerium compound, a mesoporous uranium compound, a mesoporous tin compound, a mesoporous vanadium compound, a mesoporous antimony compound, and a mesoporous calcium hydroxy It may be at least one selected from the group consisting of apatite and mesoporous hydrated calcium / hydroxyapatite, and is preferably a mesoporous zirconium compound. In particular, the mesoporous compound may have a functional group. Examples of the functional group include —SO 3 H, —PO 4 and the like, but are not limited thereto.
<128> In the above <127>, the mesoporous zirconium compound includes mesoporous ZrO 2 , mesoporous ZrO 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (HPO 4 ) 2 , mesoporous Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, and mesoporous Zr ( HSO 3 ) 2 , mesoporous Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , mesoporous Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and mesoporous Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P-R 3 -COOH ) x · nH 2 O ( wherein, R 1, R 2, and R 3 each independently represent a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 and R 3 each independently represent a divalent aromatic group it may be at least one selected from the group consisting of an alkylene group). In particular, the mesoporous zirconium compound preferably has a functional group. Examples of the functional group include —SO 3 H, —PO 4 and the like, but are not limited thereto.

<129> 上記<127>において、前記メソポーラスチタン化合物は、メソポーラスTiO、メソポーラスTiO・nHO、メソポーラスTi(HPO、メソポーラスTi(HPO・nHO、メソポーラスTi(HSO、及びメソポーラスTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<127>において、メソポーラスセリウム化合物は、メソポーラスCeO、メソポーラスCeO・nHO、メソポーラスCe(HPO及びメソポーラスCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<127>において、メソポーラスウラニウム化合物は、メソポーラスHOUOPO、メソポーラスHOUOPO・nHO、メソポーラスHOUOAsO及びメソポーラスHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<127>において、メソポーラススズ化合物は、メソポーラスSnO又はメソポーラスSnO・nHOであるのがよい。上記<127>において、メソポーラスバナジウム化合物は、メソポーラスV又はメソポーラスV・nHOであるのがよい。上記<127>において、メソポーラスアンチモン化合物は、メソポーラスSb、メソポーラスSb・nHO、メソポーラスHSbO、メソポーラスHSbO・nHO、メソポーラスHSbO11、メソポーラスHSbO11・nHO、メソポーラスHSb及びメソポーラスHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。上記<127>において、メソポーラスカルシウム・ヒドロキシアパタイト及びメソポーラス水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、メソポーラスCa10(PO)X及びメソポーラスCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。特に、メソポーラス化合物は各々、官能基を有するのがよい。官能基として、−SOH、−POなどを挙げることができるが、これらに限定されない。<129> In the above <127>, the mesoporous titanium compound includes mesoporous TiO 2 , mesoporous TiO 2 · nH 2 O, mesoporous Ti (HPO 4 ) 2 , mesoporous Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O, mesoporous Ti ( It may be at least one selected from the group consisting of HSO 3 ) 2 and mesoporous Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. In the above <127>, the mesoporous cerium compound is at least 1 selected from the group consisting of mesoporous CeO 2 , mesoporous CeO 2 · nH 2 O, mesoporous Ce (HPO 4 ) 2 and mesoporous Ce (HPO 4 ) 2 · nH 2 O. It should be a seed. In the above <127>, the mesoporous uranium compounds are mesoporous H 3 OUO 4 PO 4 , mesoporous H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, mesoporous H 3 OUO 2 AsO 4 and mesoporous H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that it is at least one selected from the group consisting of In the above <127>, the mesoporous tin compound may be mesoporous SnO 2 or mesoporous SnO 2 · nH 2 O. In the above <127>, the mesoporous vanadium compound may be mesoporous V 2 O 5 or mesoporous V 2 O 5 .nH 2 O. In the above <127>, the mesoporous antimony compound is mesoporous Sb 2 O 5 , mesoporous Sb 2 O 5 .nH 2 O, mesoporous HSbO 3 , mesoporous HSbO 3 .nH 2 O, mesoporous H 2 SbO 11 , and mesoporous H 2 SbO 11. NH 2 O, mesoporous H x Sb x P 2 O 3 and mesoporous H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10) It is good that it is at least one selected from the group consisting of In the above <127>, mesoporous calcium hydroxyapatite and mesoporous hydrated calcium hydroxyapatite are mesoporous Ca 10 (PO 4 ) X 2 and mesoporous Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is It may be at least one selected from the group consisting of -OH and / or -F). In particular, each mesoporous compound should have a functional group. Examples of the functional group include —SO 3 H, —PO 4 and the like, but are not limited thereto.

<130> 上記<126>〜<129>のいずれかにおいて、プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
<131> 上記<126>〜<130>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
<132> 上記<131>において、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群、好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<130> In any one of the above <126> to <129>, the proton conductive inorganic mesoporous material is on the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S at a temperature of 20 to 150 ° C. Proton conductivity in the order of / cm, more preferably in the order of 1 × 10 −2 S / cm.
<131> In any one of the above items <126> to <130>, the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group, preferably heat-resistant, which can be dissolved in a polar organic solvent. It may be one or more of the functional hydrocarbon polymer group.
<132> In the above <131>, the polar organic solvent is a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide, preferably N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1 -Preferably selected from the group consisting of methylpyrrolidone.

<133> 上記<126>〜<132>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。
<134> 上記<126>〜<133>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機メソポーラス材料と化学的に結合するのがよい。
<135> 上記<126>〜<134>のいずれかにおいて、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、プロトン伝導性が10−3S/cm〜1S/cmであるのがよい。
<133> In any one of the above items <126> to <132>, the proton conductive polymer may be one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group.
<134> In any one of the above items <126> to <133>, the proton conductive polymer may be chemically bonded to the proton conductive inorganic mesoporous material.
<135> In any one of the above <126> to <134>, the proton conductive hybrid material has a proton conductivity of 10 −3 S / cm to low temperature and high humidity at a temperature of −20 to 150 ° C. It should be 1 S / cm.

<136> 上記<1>〜<11>のいずれかのプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池。
<137> 上記<46>〜<62>のいずれかの触媒層を有する燃料電池。
<138> 上記<85>〜<97>のいずれかの電解質膜を有する燃料電池。
<136> A fuel cell comprising the proton conductive hybrid material according to any one of the above <1> to <11>.
<137> A fuel cell having the catalyst layer of any one of the above <46> to <62>.
<138> A fuel cell having the electrolyte membrane according to any one of <85> to <97>.

<139> 上記<126>〜<135>のいずれかのプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池。
<140> 上記<126>〜<135>のいずれかのプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層。
<141> 上記<140>の触媒層を有する燃料電池。
<142> 上記<126>〜<135>のいずれかのプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用電解質膜。
<143> 上記<142>の電解質膜を有する燃料電池。
<139> A fuel cell comprising the proton-conductive hybrid material according to any one of the above <126> to <135>.
<140> A catalyst layer for a fuel cell, comprising the proton conductive hybrid material according to any one of the above <126> to <135>.
<141> A fuel cell having the catalyst layer of <140> above.
<142> An electrolyte membrane for a fuel cell, comprising the proton conductive hybrid material according to any one of the above <126> to <135>.
<143> A fuel cell having the electrolyte membrane of <142> above.

本発明により、低温から高温まで広範囲において高いプロトン伝導性をもたらすことができる有機−無機ハイブリッド材料を提供することができる。
また、本発明により、上記効果に加えて、広範囲の温度範囲且つ低湿度下において、高いプロトン伝導性をもたらすことができる有機−無機ハイブリッド材料を提供することができる。
さらに、本発明により、上記効果の他に、又は上記効果に加え、粒径が小さい、即ちカーボン粉体などの一次粒子の細孔にも到達できる程度の粒径であって該粒径が制御されたプロトン伝導性材料を提供することができる。
また、本発明により、上記材料を用いた燃料電池用触媒層及び燃料電池用電解質膜、並びにこれらを用いた燃料電池を提供することができる。
さらに、本発明により、上記の材料、触媒層、電解質膜及び燃料電池の製法を提供することができる。
The present invention can provide an organic-inorganic hybrid material capable of providing high proton conductivity in a wide range from low temperature to high temperature.
In addition to the above effects, the present invention can provide an organic-inorganic hybrid material that can provide high proton conductivity in a wide temperature range and low humidity.
Further, according to the present invention, in addition to the above effect or in addition to the above effect, the particle size is small, that is, a particle size that can reach the pores of primary particles such as carbon powder. Proton conducting materials can be provided.
Further, according to the present invention, it is possible to provide a fuel cell catalyst layer and a fuel cell electrolyte membrane using the above materials, and a fuel cell using these.
Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing the above materials, catalyst layers, electrolyte membranes, and fuel cells.

以下、本発明を詳細に説明する。
<プロトン伝導性ハイブリッド材料>
本発明は、プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料を提供する。特に、本発明のプロトン伝導性ハイブリッド材料は、その動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であることを特徴とする。
また、プロトン伝導性ハイブリッド材料は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、10−3S/cm〜1S/cmであるのがよい。
さらに、本発明の材料において、プロトン伝導性ポリマーはプロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合してもよい。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
<Proton conductive hybrid material>
The present invention provides a proton conductive hybrid material having proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer. In particular, the proton conductive hybrid material of the present invention is characterized in that the Stokes particle size by dynamic light scattering method is 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less.
In addition, the proton-conductive hybrid material may be 10 −3 S / cm to 1 S / cm at a temperature of −20 to 150 ° C. under low and high humidity.
Furthermore, in the material of the present invention, the proton conducting polymer may be chemically bonded to the proton conducting inorganic nanoparticles.

本発明の材料は、有機−無機ハイブリッド材料であり、低温から高温まで広範囲において高いプロトン伝導性をもたらすことができる。また、本発明の材料は、広範囲の温度範囲且つ低湿度下において、高いプロトン伝導性をもたらすことができる。さらに、本発明の材料は、ストークス粒径が十分に小さく、例えばカーボン粉体などの一次粒子の細孔にも到達できる程度の粒径であるため、後述の燃料電池用触媒層などに容易に用いることができる。   The material of the present invention is an organic-inorganic hybrid material and can provide high proton conductivity in a wide range from low temperature to high temperature. In addition, the material of the present invention can provide high proton conductivity in a wide temperature range and low humidity. In addition, the material of the present invention has a sufficiently small Stokes particle size, for example, a particle size that can reach the pores of primary particles such as carbon powder. Can be used.

本発明の材料において、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。   In the material of the present invention, the proton conductive polymer is preferably disposed in the vicinity of the proton conductive inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conductive polymer is disposed around the proton conductive inorganic nanoparticles. Good.

本発明の材料におけるプロトン伝導性無機ナノ粒子として、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはジルコニウム化合物であるのがよい。   Proton conductive inorganic nanoparticles in the material of the present invention include zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. It should be at least one selected, and is preferably a zirconium compound.

上記のうち、ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。Among the above, zirconium compounds include ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2. nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) ) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x · nH 2 O (formula R 1 , R 2 , and R 3 each independently represent a divalent aromatic group, preferably R 1 and R 2 each independently represent a divalent aromatic group, and R 3 represents an alkylene group. At least one selected from the group consisting of:

また、チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
セリウム化合物は、CeO、CeO・nHO、Ce(HPO及びCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
ウラニウム化合物は、HOUOPO、HOUOPO・nHO、HOUOAsO及びHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
Titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 · nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O, Ti (HSO 3 ) 2 , and Ti (HSO 3 ) 2 · nH. It is good that it is at least one selected from the group consisting of 2 O.
The cerium compound may be at least one selected from the group consisting of CeO 2 , CeO 2 .nH 2 O, Ce (HPO 4 ) 2 and Ce (HPO 4 ) 2 .nH 2 O.
Uranium compounds are H 3 OUO 4 PO 4, H 3 OUO 4 PO 4 · nH 2 O, H 3 OUO 2 AsO 4 and H 3 OUO 2 AsO least one selected from the group consisting of 4 · nH 2 O It is good.

スズ化合物は、SnO又はSnO・nHOであるのがよい。
バナジウム化合物は、V又はV・nHOであるのがよい。
アンチモン化合物は、Sb、Sb・nHO、HSbO、HSbO・nHO、HSbO11、HSbO11・nHO、HSb及びHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
カルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、Ca10(PO)X及びCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
The tin compound may be SnO 2 or SnO 2 .nH 2 O.
The vanadium compound may be V 2 O 5 or V 2 O 5 .nH 2 O.
Antimony compounds, Sb 2 O 5, Sb 2 O 5 · nH 2 O, HSbO 3, HSbO 3 · nH 2 O, H 2 SbO 11, H 2 SbO 11 · nH 2 O, H x Sb x P 2 O 3 And at least one selected from the group consisting of H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10).
Calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite are Ca 10 (PO 4 ) X 2 and Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X represents —OH and / or —F). It is good that it is at least one selected from the group consisting of

本発明のプロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。
また、プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。
The proton conductive inorganic nanoparticles of the present invention may have a Stokes particle size of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less by dynamic light scattering.
The proton conductive inorganic nanoparticles are in the order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably in the order of 1 × 10 −3 S / cm, more preferably 1 × 10 −2 S at a temperature of 20 to 150 ° C. It is preferable to have proton conductivity on the order of / cm.

さらに、本発明のプロトン伝導性無機ナノ粒子は、以下の1.及び2.次のように、形成することもできる。
1.層状リン酸ジルコニウムの構造及び表面改質
リン酸ジルコニウムの合成
リン酸化ジルコニアにおいて、伝導性は表面移送が支配的である。即ち、立体効果、表面におけるプロトン種の立体効果、拡散、再配置は、バルクにおけるよりは容易である。また、表面のイオン性基は、内部のものより、容易に水和化されるので、水のプロトン化が促進される。
隣接するリン酸基間の距離(0.53nm)(図5を参照のこと)は、あまりに大きいので、P−OH基間を橋渡しする水分子が存在しないと、プロトン拡散は生じ得ない。結局、これらの分子の数及び配置が、伝導特性を決定する。
α−Zr(RPOのペンダント基Rが−COOH、−SOHなどの交換可能なプロトンを有する極性基を含む場合、該化合物は、リン酸類としても知られ、無機の主鎖を有する有機イオン交換基である。これらの材料は、長鎖の熱振動のため興味深い。末端の酸の基は、隣接するPO3部位間の距離(0.53nm)よりも短い距離で、お互いに近づくことができる。よって、プロトンは、メカニズム(ターザン・メカニズム(Tarzan Mechanism))に沿って酸基に沿って次々とジャンプする。
よって、長鎖の脂肪族鎖に結合した−SOHを有するリン酸ジルコニウム、長鎖の脂肪族鎖に結合した−SOH及び−COOHを有する混合リン酸基のリン酸ジルコニウムが合成されるのがよい。このような材料は、通常のZrPと比較してプロトン伝導性が2〜3倍増大するであろう。
Furthermore, the proton-conductive inorganic nanoparticles of the present invention have the following 1. And 2. It can also be formed as follows.
1. Structure and surface modification of layered zirconium phosphate Synthesis of zirconium phosphate In zirconia phosphorylated, surface transport is dominant in conductivity. That is, steric effects, steric effects of proton species on the surface, diffusion, and rearrangement are easier than in bulk. In addition, since the ionic group on the surface is more easily hydrated than the inner one, protonation of water is promoted.
The distance between adjacent phosphate groups (0.53 nm) (see FIG. 5) is so large that proton diffusion cannot occur without the presence of water molecules bridging between P—OH groups. Ultimately, the number and arrangement of these molecules determine the conduction properties.
When the pendant group R of α-Zr (RPO 3 ) 2 contains a polar group having an exchangeable proton such as —COOH, —SO 3 H, the compound is also known as phosphoric acid, and has an inorganic main chain. It has an organic ion exchange group. These materials are interesting because of the long chain thermal vibrations. The terminal acid groups can approach each other at a distance shorter than the distance between adjacent PO3 sites (0.53 nm). Thus, protons jump one after another along the acid group along the mechanism (Tarzan Mechanism).
Thus, zirconium phosphate having —SO 3 H bonded to a long aliphatic chain, and mixed phosphate group zirconium phosphate having —SO 3 H and —COOH bonded to a long aliphatic chain were synthesized. It is better. Such materials will increase proton conductivity by a factor of 2-3 compared to normal ZrP.

2.メソポーラス/ナノポーラスリン酸水素ジルコニウムの合成及び機能
ナノサイズの六方晶メソポーラスジルコニアを、自己集合化技術により合成するのがよい。内壁が、芳香族スルホン酸基を用いて機能化されるのがよい。均質なナノ複合体を調製し、細孔フィリング膜に応用するのがよい。
また、開発されるプロトン伝導性材料は、チタニア及びアルミナなどの他の酸化物と共にドープされる水和ジルコニア、スルホン化ジルコニア及びリン酸化ジルコニアの誘導体であるのがよい。
2. Synthesis and function of mesoporous / nanoporous zirconium hydrogen phosphate Nano-sized hexagonal mesoporous zirconia is preferably synthesized by a self-assembly technique. The inner wall should be functionalized with aromatic sulfonic acid groups. A homogeneous nanocomposite should be prepared and applied to the pore filling membrane.
Also, the proton conducting material to be developed should be a derivative of hydrated zirconia, sulfonated zirconia and phosphorylated zirconia doped with other oxides such as titania and alumina.

本発明の材料のうち、プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上、好ましくは耐熱性炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上であるのがよい。
ここで、極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群、好ましくはN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
Of the materials of the present invention, the proton conducting polymer is one or more of a group of hydrocarbon polymers, preferably one of a group of heat resistant hydrocarbon polymers, that can be dissolved in a polar organic solvent. It may be one or more.
Here, the polar organic solvent is a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide, preferably a group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. It is good to be chosen from.

炭化水素系ポリマーとして、ポリエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリシロキサン、ポリトリアジン、ポリジエン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリオキサチアゾール、ポリテトラザビレン、ポリオキサゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリピロリドン、ポリアクリレート誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリスチレン誘導体などを挙げることができる。好ましくは、ポリエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリトリアジン、ポリジエン、ポリピリジン、ポリオキサチアゾール、ポリアクリレート誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリスチレン誘導体などを挙げることができる。より好ましくは、ポリエーテルケトン、ポリスルフィド、ポリホスファゼン、ポリフェニレン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリアミド、ポリイミド、ポリ尿素、ポリスルホン、ポリスルホネート、ポリベンゾオキサゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリフェニルキノキサリン、ポリキノリン、ポリトリアジン、ポリジエン、ポリアクリレート誘導体、ポリメタクリレート誘導体、ポリスチレン誘導体などを挙げることができる。   As hydrocarbon polymers, polyether ketone, polysulfide, polyphosphazene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyurethane, polyamide, polyimide, polyurea, polysulfone, polysulfonate, polybenzoxazole, polybenzo Thiazole, polythiazole, polyphenylquinoxaline, polyquinoline, polysiloxane, polytriazine, polydiene, polypyridine, polypyrimidine, polyoxathiazole, polytetrazabilene, polyoxazole, polyvinylpyridine, polyvinylimidazole, polypyrrolidone, polyacrylate derivative, poly A methacrylate derivative, a polystyrene derivative, etc. can be mentioned. Preferably, polyether ketone, polysulfide, polyphosphazene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyurethane, polyamide, polyimide, polyurea, polysulfone, polysulfonate, polybenzoxazole, polybenzothiazole, poly Examples thereof include phenylquinoxaline, polyquinoline, polytriazine, polydiene, polypyridine, polyoxathiazole, polyacrylate derivative, polymethacrylate derivative, and polystyrene derivative. More preferably, polyetherketone, polysulfide, polyphosphazene, polyphenylene, polybenzimidazole, polyethersulfone, polyphenylene oxide, polycarbonate, polyamide, polyimide, polyurea, polysulfone, polysulfonate, polybenzoxazole, polybenzothiazole, polyphenyl Examples thereof include quinoxaline, polyquinoline, polytriazine, polydiene, polyacrylate derivative, polymethacrylate derivative, and polystyrene derivative.

プロトン伝導性ポリマーは、プロトン酸基を有するのがよい。プロトン酸基として、スルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基、アルキルスルホン酸基、アルキルカルボン酸基、アルキルホスホン酸基、リン酸基、及びフェノール性水酸基などを挙げることができるが、これらに限定されない。
プロトン伝導性ポリマーは、そのイオン交換容量が0.1〜4.5meq/g、好ましくは0.2〜4.0meq/g、より好ましくは0.25〜4.5meq/gであるのがよい。ここで、イオン交換容量とは、ポリマー1g当たりのミリ当量数(meq/g)を示す。
The proton conducting polymer may have a proton acid group. Examples of proton acid groups include sulfonic acid groups, carboxylic acid groups, phosphonic acid groups, alkyl sulfonic acid groups, alkyl carboxylic acid groups, alkyl phosphonic acid groups, phosphoric acid groups, and phenolic hydroxyl groups. It is not limited.
The proton conductive polymer has an ion exchange capacity of 0.1 to 4.5 meq / g, preferably 0.2 to 4.0 meq / g, more preferably 0.25 to 4.5 meq / g. . Here, the ion exchange capacity indicates the number of milliequivalents per 1 g of polymer (meq / g).

プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上であるのがよい。   The proton conducting polymer may be one or more of a group of sulfonated hydrocarbon-based polymers.

プロトン伝導性ポリマーは、スルホン酸基含有ポリエーテルスルホン、スルホン酸基含有ポリエーテルケトン、スルホン酸基含有ポリエーテルエーテルケトン及びスルホン酸基含有ポリイミドなどであるのがよい。   The proton conductive polymer may be sulfonic acid group-containing polyethersulfone, sulfonic acid group-containing polyetherketone, sulfonic acid group-containing polyetheretherketone, sulfonic acid group-containing polyimide, or the like.

プロトン伝導性ポリマーとして、以下のスルホン化ポリマーを挙げることができる。即ち、SPEEK:スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、SPEK:スルホン化ポリエーテルケトン、SPES:ポリエーテルスルホン、SP3O:ポリ(2,6-ジフェニル-4-フェニレンオキサイド)、SPPBP:スルホン化ポリ(4-フェノキシベンゾイル-1,4-フェニレン)、SPPO:スルホン化ポリフェニレンオキサイド又はポリ(2,6-ジメチル-1,4-フェニレンオキサイド)、SPPQ:ポリ(フェニルキノザリン)、SPS:スルホン化ポリスチレン、SPSF:スルホン化ポリスルホン、SPSU:スルホン化ポリスルホンウデル(sulfonated polysulfone Udel)である。   Examples of the proton conductive polymer include the following sulfonated polymers. SPEK: sulfonated polyetheretherketone, SPEK: sulfonated polyetherketone, SPES: polyethersulfone, SP3O: poly (2,6-diphenyl-4-phenylene oxide), SPPBP: sulfonated poly (4-phenoxy) Benzoyl-1,4-phenylene), SPPO: sulfonated polyphenylene oxide or poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene oxide), SPPQ: poly (phenylquinosaline), SPS: sulfonated polystyrene, SPSF: Sulfonated polysulfone, SPSU: sulfonated polysulfone Udel.

<プロトン伝導性ハイブリッド材料及び極性有機溶媒を有する分散体>
本発明は、上記プロトン伝導性ハイブリッド材料と極性有機溶媒とを有する分散体を提供する。
本発明の分散体は、プロトン伝導性ハイブリッド材料がN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる極性有機溶媒に均一に分散される。プロトン伝導性ハイブリッド材料は、上述のように、プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有する。
本発明の分散体において、プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下であるのがよい。また、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子の近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性無機ナノ粒子の周りにプロトン伝導性ポリマーが配置されるのがよい。また、プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合してもよい。
なお、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーの特性については、上述と同様である。
極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<Dispersion with proton conductive hybrid material and polar organic solvent>
The present invention provides a dispersion comprising the proton conductive hybrid material and a polar organic solvent.
In the dispersion of the present invention, the proton conductive hybrid material is uniformly dispersed in a polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. As described above, the proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer.
In the dispersion of the present invention, the Stokes particle size of the proton conductive hybrid material by dynamic light scattering method is 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less. In addition, the proton conductive polymer is preferably disposed in the vicinity of the proton conductive inorganic nanoparticles, and more preferably, the proton conductive polymer is disposed around the proton conductive inorganic nanoparticles. The proton conductive polymer may be chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles.
In addition, about the characteristic of a proton conductive inorganic nanoparticle and a proton conductive polymer, it is the same as that of the above-mentioned.
The polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone.

<分散体の製法>
上述の分散体は、例えば次の方法により調製することができる。
即ち、調製方法は、
プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
ポリマー溶液をナノ粒子分散体へ注ぐか、又はナノ粒子分散体をポリマー溶液に注いで、極性有機溶媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程;
を有する。
<Production method of dispersion>
The dispersion described above can be prepared, for example, by the following method.
That is, the preparation method is
Dissolving a proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductive inorganic in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent Dispersing the nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the dispersion having a polar organic solvent and a proton conducting hybrid material Obtaining a body;
Have

プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を、得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有してもよい。ここで、貧有機溶媒として、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれるのがよく、好ましくはイソプロパノールであるのがよい。   You may further have the process of adding the poor organic solvent with respect to a proton conductive polymer to the obtained dispersion, and obtaining the dispersion which has a proton-conductive hybrid material with a still smaller Stokes particle size. Here, the poor organic solvent may be selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane, and is preferably isopropanol.

第1及び/又は第2の極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。   The first and / or second polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone.

ナノ粒子分散体にポリマー溶液を注ぐ工程又はポリマー溶液にナノ粒子分散体を注ぐ工程において、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端がプロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するようにしてもよい。   In the process of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or the process of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the proton conducting polymer reacts with the proton conducting inorganic nanoparticles, and a part or all of one end of the proton conducting polymer is You may make it chemically couple | bond with a proton conductive inorganic nanoparticle.

<ハイブリッド材料の製法>
また、上述のプロトン伝導性ハイブリッド材料は、次の方法により調製することができる。
即ち、この方法は、
プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
ポリマー溶液をナノ粒子分散体へ注ぐか、又はナノ粒子分散体をポリマー溶液に注いで、極性有機溶媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程;及び
得られた分散体から第1及び第2の極性有機溶媒を除去し、プロトン伝導性ハイブリッド材料を得る工程;を有する。
第1及び/又は第2の極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれるのがよい。
<Production method of hybrid material>
The proton conductive hybrid material described above can be prepared by the following method.
That is, this method
Dissolving a proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductive inorganic in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent Dispersing the nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution to disperse with a polar organic solvent and a proton conducting hybrid material Obtaining a body; and removing the first and second polar organic solvents from the obtained dispersion to obtain a proton conductive hybrid material.
The first and / or second polar organic solvent may be selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone.

分散体が得られた後、該分散体に、プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有してもよい。ここで、貧有機溶媒としては、分散体の製法と同じものを用いることができる。
また、ナノ粒子分散体にポリマー溶液を注ぐ工程又はポリマー溶液にナノ粒子分散体を注ぐ工程において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するようにしてもよい。
上述のように、プロトン伝導性ハイブリッド材料は、上記の分散体の調製方法を用いることができる。
After the dispersion is obtained, the dispersion may further include a step of adding a poor organic solvent for the proton conductive polymer to obtain a dispersion having a proton conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size. . Here, as a poor organic solvent, the same thing as the manufacturing method of a dispersion can be used.
Also, in the step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or the step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and a part of the proton conductive polymer Alternatively, all one ends may be chemically bonded to the proton-conductive inorganic nanoparticles.
As described above, the proton conductive hybrid material can use the above-described dispersion preparation method.

<触媒層>
本発明は、上述のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層を提供する。特に、本発明は、電子伝導体、触媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層を提供する。
該触媒層は、電子伝導体、触媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する。プロトン伝導性ハイブリッド材料は、上述の種々の特性を有する材料を用いることができる。
<Catalyst layer>
The present invention provides a catalyst layer for a fuel cell having the proton conductive hybrid material described above. In particular, the present invention provides a fuel cell catalyst layer comprising an electron conductor, a catalyst, and a proton conductive hybrid material.
The catalyst layer has an electron conductor, a catalyst, and a proton conductive hybrid material. As the proton conductive hybrid material, materials having various characteristics described above can be used.

触媒層は、触媒が電子伝導体の表面に担持され、且つプロトン伝導性ハイブリッド材料は、触媒が配置される位置の近傍に配置されるように、構成されるのがよい。
プロトン伝導性ハイブリッド材料は、電子伝導体と物理的に及び/又は化学的に結合しているのがよい。
The catalyst layer is preferably configured such that the catalyst is supported on the surface of the electron conductor and the proton conductive hybrid material is disposed in the vicinity of the position where the catalyst is disposed.
The proton conducting hybrid material may be physically and / or chemically bonded to the electronic conductor.

電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体又は金属系多孔質電子伝導体であるのがよく、好ましくはカーボン系多孔質電子伝導体であるのがよい。
カーボン系多孔質電子伝導体は、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭及びグラスカーボンからなる群から選ばれるのがよい。
電子伝導体は、その粒径が300nm以下、好ましくは100nm以下、より好ましくは30nm以下であるのがよい。
The electron conductor may be a carbon-based porous electron conductor or a metal-based porous electron conductor, and is preferably a carbon-based porous electron conductor.
The carbon-based porous electronic conductor may be selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, activated carbon, and glass carbon.
The particle diameter of the electron conductor is 300 nm or less, preferably 100 nm or less, more preferably 30 nm or less.

触媒は、貴金属系触媒群及び有機触媒群からなる群から選ばれるのがよい。貴金属系触媒として、Pt、Pt−Ruなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
触媒は、その粒径が30nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは3nm以下であるのがよい。
The catalyst may be selected from the group consisting of a noble metal catalyst group and an organic catalyst group. Examples of the noble metal catalyst include, but are not limited to, Pt and Pt—Ru.
The catalyst may have a particle size of 30 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 3 nm or less.

<触媒層の製法>
上述の燃料電池用触媒層は、次の方法により調製することができる。
即ち、この方法は、
a)触媒を電子伝導体に担持させる工程;
b)プロトン伝導性ハイブリッド材料が極性有機溶媒に分散したプロトン伝導性ハイブリッド材料分散体を準備する工程;
c)該分散体を、触媒を担持した電子伝導体と混合し、混合体を得る工程;及び
d)該混合体を燃料電池用拡散層に塗布し、燃料電池用触媒層を得る工程;
を有する。
なお、触媒、電子伝導体、プロトン伝導性ハイブリッド材料、極性有機溶媒は、上述と同様のものを用いることができる。
また、工程b)は、上述の分散体を調製する方法を用いることができる。
<Production method of catalyst layer>
The above fuel cell catalyst layer can be prepared by the following method.
That is, this method
a) supporting a catalyst on an electronic conductor;
b) preparing a proton conductive hybrid material dispersion in which the proton conductive hybrid material is dispersed in a polar organic solvent;
c) mixing the dispersion with an electron conductor carrying a catalyst to obtain a mixture; and d) applying the mixture to a fuel cell diffusion layer to obtain a fuel cell catalyst layer;
Have
In addition, the same thing as the above-mentioned can be used for a catalyst, an electronic conductor, a proton conductive hybrid material, and a polar organic solvent.
Step b) can also use the method of preparing the dispersion described above.

工程c)の際、又は工程c)後であって工程d)前に、混合物に結合剤を混合する工程をさらに有するのがよい。また、混合物中の溶媒を除去して該混合物の粘度を調整する工程をさらに有するのがよい。
工程b)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合するのがよい。
It may further comprise a step of mixing the binder with the mixture during step c) or after step c) and before step d). Moreover, it is good to further have the process of removing the solvent in a mixture and adjusting the viscosity of this mixture.
In step b), the proton conducting polymer reacts with the proton conducting inorganic nanoparticles, and one or all of the ends of the proton conducting polymer are chemically bonded to the proton conducting inorganic nanoparticles. Good.

<電解質膜>
本発明は、上述のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する電解質膜を提供する。燃料電池用電解質膜は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、10−2S/cm〜5S/cmであるのがよい。なお、プロトン伝導性ハイブリッド材料は、上述の特性を有するものを用いることができる。
電解質膜は基材を有し、プロトン伝導性ハイブリッド材料は、基材に化学的及び/又は物理的に結合するのがよい。基材は、多孔性ポリマー及び多孔性セラミックからなる群から選ばれるのがよい。多孔性ポリマーとして、ポリイミド、ポリエチレンなどを挙げることができる。多孔性セラミックとしてアルミナ、シリカ、ジルコニア、チタニアなどを挙げることができる。
<Electrolyte membrane>
The present invention provides an electrolyte membrane having the proton conductive hybrid material described above. The electrolyte membrane for a fuel cell is preferably 10 −2 S / cm to 5 S / cm at a temperature of −20 to 150 ° C. under low and high humidity. A proton conductive hybrid material having the above-described characteristics can be used.
The electrolyte membrane has a substrate, and the proton conductive hybrid material may be chemically and / or physically bonded to the substrate. The substrate may be selected from the group consisting of a porous polymer and a porous ceramic. Examples of the porous polymer include polyimide and polyethylene. Examples of the porous ceramic include alumina, silica, zirconia, and titania.

多孔性ポリマー又は多孔性セラミックの表面(細孔の表面を含む)に、プロトン伝導性ハイブリッド材料が化学的及び/又は物理的に結合するのがよい。   The proton conductive hybrid material may be chemically and / or physically bonded to the surface of the porous polymer or porous ceramic (including the surface of the pores).

基材、特に多孔質基材の細孔の中に、プロトン伝導性ハイブリッド材料が充填、固定、保持されて、電解質膜とするのがよい。
基材として、膜厚が0.01〜300μm、好ましくは0.1〜100μm、空孔率が10〜95%、より好ましくは40〜90%、破断強度が1.961×104kPa(200kg/cm)以上、平均貫通孔径が0.001〜100μmであるものが好ましい。
A proton conductive hybrid material is preferably filled, fixed, and held in the pores of a substrate, particularly a porous substrate, to form an electrolyte membrane.
As the substrate, the film thickness is 0.01 to 300 μm, preferably 0.1 to 100 μm, the porosity is 10 to 95%, more preferably 40 to 90%, and the breaking strength is 1.961 × 104 kPa (200 kg / cm 2 ) As described above, those having an average through-hole diameter of 0.001 to 100 μm are preferable.

多孔質基材がフッ素系樹脂である場合、分子内に炭素−フッ素結合を多数有する公知のフッ素系樹脂を用いることができる。通常は、ポリオレフィンの水素原子の全て又は大部分、好適には水素原子の50モル%以上がフッ素原子によって置換された構造のものを用いることができる。特に、その全てがフッ素原子によって置換された構造のものを用いるのが好ましい。フッ素系樹脂を基材として用いることにより、機械的強度、化学的安定性、耐熱性に極めて優れた電解質膜を提供することができる。
フッ素系樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(CTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ETFE)、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体(ECTFE)等を挙げることができる。好ましくは、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)であるのがよく、より好ましくはPTFEであるのがよい。
When the porous substrate is a fluororesin, a known fluororesin having many carbon-fluorine bonds in the molecule can be used. Usually, a structure in which all or most of hydrogen atoms of polyolefin, preferably 50 mol% or more of hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms can be used. In particular, it is preferable to use a structure in which all of them are substituted with fluorine atoms. By using a fluororesin as a base material, an electrolyte membrane having excellent mechanical strength, chemical stability, and heat resistance can be provided.
Fluorocarbon resins such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polychlorotrifluoroethylene (CTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl A vinyl ether copolymer (PFA), a tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), a chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE), etc. can be mentioned. Polytetrafluoroethylene (PTFE) and tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP) are preferable, and PTFE is more preferable.

また、基材として、炭化水素系樹脂を用いる場合、該樹脂として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエステル、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレン、ポリエーテル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルアミドなどを挙げることができる。熱的安定性の面から、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエステル、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレン、ポリエーテル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルアミドであるのが好ましいが、これらに限定されない。
なお、多孔質基材は、複数種の材料を用いてもよい。例えば、上述のフッ素系樹脂及び炭化水素系樹脂の中から2種以上を用いてもよい。
Further, when a hydrocarbon resin is used as the substrate, the resin includes polyethylene, polypropylene, polycarbonate, polyimide, polyester, polyethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polysulfone, polysulfide, polyamide, polyamideimide, Polyphenylene, polyether, polyetherimide, polyetheramide and the like can be mentioned. From the viewpoint of thermal stability, they are polycarbonate, polyimide, polyester, polyethersulfone, polyetherketone, polyetheretherketone, polysulfone, polysulfide, polyamide, polyamideimide, polyphenylene, polyether, polyetherimide, and polyetheramide. Although it is preferable, it is not limited to these.
Note that a plurality of types of materials may be used for the porous substrate. For example, you may use 2 or more types from the above-mentioned fluororesin and hydrocarbon resin.

<電解質膜の製法>
上述の燃料電池用電解質膜は、次のような製法により調製することができる。
即ち、方法は、
x)上述のプロトン伝導性ハイブリッド材料が極性有機溶媒に分散されるプロトン伝導性ハイブリッド材料分散体を準備する工程;及び
y)分散体を基材の孔又は基材の孔及び表面に塗布し、燃料電池用電解質膜を得る工程;を有する。
上記x)工程は、上述の分散体の製造方法を用いることができる。また、プロトン伝導性ハイブリッド材料、極性有機溶媒、基材は、上述のものを用いることができる。
<Method for manufacturing electrolyte membrane>
The above-mentioned electrolyte membrane for fuel cells can be prepared by the following production method.
That is, the method is
x) providing a proton conductive hybrid material dispersion in which the above proton conductive hybrid material is dispersed in a polar organic solvent; and y) applying the dispersion to the pores of the substrate or to the pores and surface of the substrate; Obtaining an electrolyte membrane for a fuel cell.
In the step x), the above-described method for producing a dispersion can be used. Moreover, the above-mentioned thing can be used for a proton conductive hybrid material, a polar organic solvent, and a base material.

<粒子と溶媒からなる分散体>
本発明は、プロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体と上述の極性有機溶媒とを有する分散体を提供する。プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、上述の前記極性有機溶媒に均一に分散し、且つプロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下、最も好ましくは2nm以下を有するのがよい。
プロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体は、上述のプロトン伝導性ナノ粒子又はその前駆体である。
<Dispersion consisting of particles and solvent>
The present invention provides a dispersion comprising proton conductive inorganic nanoparticles or the proton conductive inorganic nanoparticle precursor and the above-mentioned polar organic solvent. Proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are uniformly dispersed in the polar organic solvent described above, and the proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method, Preferably it has 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and most preferably 2 nm or less.
The proton conductive inorganic nanoparticles or the proton conductive inorganic nanoparticle precursor is the above-described proton conductive nanoparticle or a precursor thereof.

<分散体(粒子と溶媒)の製法>
上述のプロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体と上述の極性有機溶媒とを有する分散体は、次の方法により調製することができる。
即ち、方法は、
i)プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体を調製する工程;及び
ii)前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を前記極性有機溶媒に均一に分散する工程を有する。
<Production method of dispersion (particles and solvent)>
The dispersion having the above-described proton conductive inorganic nanoparticles or the proton conductive inorganic nanoparticle precursor and the above polar organic solvent can be prepared by the following method.
That is, the method is
i) preparing proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof; and
ii) a step of uniformly dispersing the proton conductive nano-inorganic particles or a precursor thereof in the polar organic solvent;

プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を調製する工程は、
金属アルコキシド(金属は、ジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ヒ素及びカルシウムからなる群から選ばれる)の有機溶媒の溶液を調製する工程;及び
溶液を加水分解してプロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を得る工程;をさらに有するのがよい。
The step of preparing proton conductive nano inorganic particles or precursors thereof is as follows:
Preparing a solution of an organic solvent of a metal alkoxide (where the metal is selected from the group consisting of zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, arsenic, and calcium); and hydrolyzing the solution to proton conductive nano-inorganic A step of obtaining particles or a precursor thereof.

金属アルコキシドのアルコキシドは、直鎖状又は分岐鎖状のアルキル基であり、好ましくは炭素数1〜24、より好ましくは炭素数1〜10である。例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、i-プロピル基、i-ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、オクチル基、2-エチルヘキシル基、t-オクチル基、デシル基、ドデシル基、テトラデシル基、2-ヘキシルデシル基、ヘキサデシル基、オクタデシル基、シクロヘキシルメチル基、オクチルシクロヘキシル基などを挙げることができる。   The alkoxide of the metal alkoxide is a linear or branched alkyl group, preferably having 1 to 24 carbon atoms, more preferably 1 to 10 carbon atoms. For example, methyl, ethyl, propyl, butyl, i-propyl, i-butyl, pentyl, hexyl, octyl, 2-ethylhexyl, t-octyl, decyl, dodecyl, tetradecyl Group, 2-hexyldecyl group, hexadecyl group, octadecyl group, cyclohexylmethyl group, octylcyclohexyl group and the like.

ゾルゲル反応に用いる有機溶媒は、金属アルコキシドを溶解するものであれば、特に制限はない。好ましくは、カーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなど)、複素環化合物(3-メチル-2-オキサゾリジノン、N-メチルピロリドンなど)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフランなど)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレンジアルキルエーテルなど)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなど)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなど)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなど)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステルなど)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなど)、非極性溶媒(トルエン、キシレンなど)、塩素系溶媒(メチレンクロライド、エチレンクロライドなど)、水などを用いることができる。
なかでも、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール類、アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル化合物、ジオキサン、テトラヒドロフランなどの環状エーテル類などが好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。
The organic solvent used for the sol-gel reaction is not particularly limited as long as it dissolves the metal alkoxide. Preferably, carbonate compounds (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.), cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether) , Ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene) Glycol monoalkyl ethers), polyhydric alcohols (ethylene glycol) , Propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), esters (carboxylic esters, phosphate esters, phosphonate esters) Aprotic polar substances (dimethylsulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene chloride, etc.), water, etc. can be used. .
Among these, alcohols such as ethanol and isopropanol, nitrile compounds such as acetonitrile, glutarodinitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, and benzonitrile, and cyclic ethers such as dioxane and tetrahydrofuran are preferable. These may be used alone or in combination of two or more.

ゾルゲル反応において、金属原子にキレート化し得る化学改質剤を用いてもよい。化学改質剤としては、例えばアセト酢酸エステル類(アセト酢酸エチルなど)、1,3-ジケトン(アセチルアセトンなど)、アセトアセタミド類(N,N-ジメチルアミノアセトアセタミドなど)などを挙げることができる。
ゾロゲル反応の加水分解及び脱水縮重合の触媒として、酸又はアルカリを用いるのがよい。アルカリとして、水酸化ナトリウムなどのアルカリ金属の水酸化物、アンモニアなどが一般的である。酸触媒として、無機又は有機のプロトン酸を用いることができる。無機プロトン酸として、塩酸、硝酸、硫酸、ホウ酸、過塩素酸、テトラフルオロホウ酸、ヘキサフルオロヒ素酸、臭化水素酸などを挙げることができる。有機プロトン酸として、酢酸、シュウ酸、メタンスルホン酸などを挙げることができる。
In the sol-gel reaction, a chemical modifier that can be chelated to a metal atom may be used. Examples of the chemical modifier include acetoacetate esters (such as ethyl acetoacetate), 1,3-diketones (such as acetylacetone), and acetoacetamides (such as N, N-dimethylaminoacetoacetamide). .
An acid or alkali is preferably used as a catalyst for hydrolysis and dehydration condensation polymerization of the zologel reaction. As the alkali, alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide, ammonia and the like are common. As the acid catalyst, an inorganic or organic proton acid can be used. Examples of the inorganic protonic acid include hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, boric acid, perchloric acid, tetrafluoroboric acid, hexafluoroarsenic acid, hydrobromic acid and the like. Examples of the organic protonic acid include acetic acid, oxalic acid, and methanesulfonic acid.

上述の金属の硝酸塩、アンモニウム塩、塩化物塩、硫酸塩などを含む溶液を、金属アルコキシドのゾル溶液に添加し、次いでゾルゲル反応を進行させることにより、複合酸化物などを調製することもできる。塩として、特に限定されないが、例えば硝酸アルミニウム、硝酸鉄、オキシ硝酸ジルコニウム、塩化チタン、塩化アルミニウム、オキシ塩化ジルコニウム、硫酸チタン、硫酸アルミニウムなどを挙げることができる。塩の溶媒として、塩を溶解するものであれば特に制限はないが、例えば、カーボネート化合物(エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなど)、複素環化合物(3-メチル-2-オキサゾリジノン、N-メチルピロリドンなど)、環状エーテル類(ジオキサン、テトラヒドロフランなど)、鎖状エーテル類(ジエチルエーテル、エチレングリコールジアルキルエーテル、プロピレングリコールジアルキルエーテル、ポリエチレングリコールジアルキルエーテル、ポリプロピレンジアルキルエーテルなど)、アルコール類(メタノール、エタノール、イソプロパノール、エチレングリコールモノアルキルエーテル、プロピレングリコールモノアルキルエーテル、ポリエチレングリコールモノアルキルエーテル、ポリプロピレングリコールモノアルキルエーテルなど)、多価アルコール類(エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、グリセリンなど)、ニトリル化合物(アセトニトリル、グルタロジニトリル、メトキシアセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなど)、エステル類(カルボン酸エステル、リン酸エステル、ホスホン酸エステルなど)、非プロトン極性物質(ジメチルスルホキシド、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドなど)、非極性溶媒(トルエン、キシレンなど)、塩素系溶媒(メチレンクロライド、エチレンクロライドなど)、水などを用いることができる。   A complex oxide or the like can also be prepared by adding a solution containing the above-mentioned metal nitrate, ammonium salt, chloride salt, sulfate or the like to a metal alkoxide sol solution and then proceeding with a sol-gel reaction. Examples of the salt include, but are not limited to, aluminum nitrate, iron nitrate, zirconium oxynitrate, titanium chloride, aluminum chloride, zirconium oxychloride, titanium sulfate, and aluminum sulfate. The salt solvent is not particularly limited as long as it dissolves the salt. For example, carbonate compounds (ethylene carbonate, propylene carbonate, etc.), heterocyclic compounds (3-methyl-2-oxazolidinone, N-methylpyrrolidone, etc.) , Cyclic ethers (dioxane, tetrahydrofuran, etc.), chain ethers (diethyl ether, ethylene glycol dialkyl ether, propylene glycol dialkyl ether, polyethylene glycol dialkyl ether, polypropylene dialkyl ether, etc.), alcohols (methanol, ethanol, isopropanol, ethylene) Glycol monoalkyl ether, propylene glycol monoalkyl ether, polyethylene glycol monoalkyl ether, polypropylene glycol monoal Kill ethers), polyhydric alcohols (ethylene glycol, propylene glycol, polyethylene glycol, polypropylene glycol, glycerin, etc.), nitrile compounds (acetonitrile, glutaronitrile, methoxyacetonitrile, propionitrile, benzonitrile, etc.), esters ( Carboxylates, phosphates, phosphonates, etc.), aprotic polar substances (dimethylsulfoxide, sulfolane, dimethylformamide, dimethylacetamide, etc.), nonpolar solvents (toluene, xylene, etc.), chlorinated solvents (methylene chloride, ethylene) Chloride, etc.), water and the like can be used.

<ハイブリッド材料(メソポーラス無機材料)>
また、本発明は、プロトン伝導性無機メソポーラス材料及びプロトン伝導性ポリマーを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料を提供する。ここで、プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、その細孔径が20nm以下、好ましくは10nm以下、より好ましくは5nm以下、最も好ましくは2nm以下であるのがよい。好ましくは、プロトン伝導性ポリマーがプロトン伝導性無機メソポーラス材料の細孔近傍に配置されるのがよく、より好ましくは、プロトン伝導性ポリマーの周りにプロトン伝導性無機ポーラス材料が配置されるのがよい。
なお、プロトン伝導性ポリマーは、上述のものを用いることができる。
プロトン伝導性ポリマーは、プロトン伝導性無機メソポーラス材料と化学的に結合してもよい。
プロトン伝導性ハイブリッド材料は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、プロトン伝導性が10−3S/cm〜1S/cmであるのがよい。
<Hybrid material (mesoporous inorganic material)>
The present invention also provides a proton conducting hybrid material having a proton conducting inorganic mesoporous material and a proton conducting polymer. Here, the proton conductive inorganic mesoporous material has a pore diameter of 20 nm or less, preferably 10 nm or less, more preferably 5 nm or less, and most preferably 2 nm or less. Preferably, the proton conducting polymer is disposed in the vicinity of the pores of the proton conducting inorganic mesoporous material, and more preferably, the proton conducting inorganic porous material is disposed around the proton conducting polymer. .
In addition, the above-mentioned thing can be used for a proton conductive polymer.
The proton conducting polymer may be chemically bonded to the proton conducting inorganic mesoporous material.
The proton conductive hybrid material may have a proton conductivity of 10 −3 S / cm to 1 S / cm at a temperature of −20 to 150 ° C. under low and high humidity.

プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、メソポーラスジルコニウム化合物、メソポーラスチタン化合物、メソポーラスセリウム化合物、メソポーラスウラン化合物、メソポーラススズ化合物、メソポーラスバナジウム化合物、メソポーラスアンチモン化合物、並びにメソポーラスカルシウム・ヒドロキシアパタイト及びメソポーラス水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよく、好ましくはメソポーラスジルコニウム化合物であるのがよい。特に、メソポーラス化合物は、官能基を有するのがよい。官能基として、−SOH、−POなどを挙げることができるが、これらに限定されない。Proton conductive inorganic mesoporous materials include mesoporous zirconium compounds, mesoporous titanium compounds, mesoporous cerium compounds, mesoporous uranium compounds, mesoporous tin compounds, mesoporous vanadium compounds, mesoporous antimony compounds, and mesoporous calcium hydroxyapatite and mesoporous hydrated calcium hydroxyapatite. It is at least one selected from the group consisting of: preferably a mesoporous zirconium compound. In particular, the mesoporous compound may have a functional group. Examples of the functional group include —SO 3 H, —PO 4 and the like, but are not limited thereto.

メソポーラスジルコニウム化合物は、メソポーラスZrO、メソポーラスZrO・nHO、メソポーラスZr(HPO、メソポーラスZr(HPO・nHO、メソポーラスZr(HSO、メソポーラスZr(HSO・nHO、メソポーラスZr(OP−R−SOH)、メソポーラスZr(OP−R−SOH)・nHO、メソポーラスZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びメソポーラスZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示し、好ましくはR及びRは各々独立に二価の芳香族基を示し且つRはアルキレン基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。特に、メソポーラスジルコニウム化合物は、官能基を有するのがよい。官能基として、−SOH、−POなどを挙げることができるが、これらに限定されない。Mesoporous zirconium compounds are mesoporous ZrO 2 , mesoporous ZrO 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (HPO 4 ) 2 , mesoporous Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (HSO 3 ) 2 , mesoporous Zr (HSO 3). ) 2 · nH 2 O, mesoporous Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , mesoporous Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (O 3 P—) R 2 -SO 3 H) 2- x (O 3 P-R 3 -COOH) x, and mesoporous Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) during x · nH 2 O (wherein, R 1, R 2, and R 3 each independently represent a divalent aromatic group, preferably a divalent aromatic each independently R 1 and R 2 And at least one selected from the group consisting of R 3 represents an alkylene group. In particular, the mesoporous zirconium compound preferably has a functional group. Examples of the functional group include —SO 3 H, —PO 4 and the like, but are not limited thereto.

メソポーラスチタン化合物は、メソポーラスTiO、メソポーラスTiO・nHO、メソポーラスTi(HPO、メソポーラスTi(HPO・nHO、メソポーラスTi(HSO、及びメソポーラスTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
メソポーラスセリウム化合物は、メソポーラスCeO、メソポーラスCeO・nHO、メソポーラスCe(HPO及びメソポーラスCe(HPO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
メソポーラスウラニウム化合物は、メソポーラスHOUOPO、メソポーラスHOUOPO・nHO、メソポーラスHOUOAsO及びメソポーラスHOUOAsO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
メソポーラススズ化合物は、メソポーラスSnO又はメソポーラスSnO・nHOであるのがよい。
Mesoporous titanium compounds include mesoporous TiO 2 , mesoporous TiO 2 · nH 2 O, mesoporous Ti (HPO 4 ) 2 , mesoporous Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O, mesoporous Ti (HSO 3 ) 2 , and mesoporous Ti (HSO 3 ) It is good that it is at least one selected from the group consisting of 2 · nH 2 O.
The mesoporous cerium compound may be at least one selected from the group consisting of mesoporous CeO 2 , mesoporous CeO 2 · nH 2 O, mesoporous Ce (HPO 4 ) 2 and mesoporous Ce (HPO 4 ) 2 · nH 2 O. .
The mesoporous uranium compound is selected from the group consisting of mesoporous H 3 OUO 4 PO 4 , mesoporous H 3 OUO 4 PO 4 .nH 2 O, mesoporous H 3 OUO 2 AsO 4 and mesoporous H 3 OUO 2 AsO 4 .nH 2 O. It is good that there is at least one kind.
The mesoporous tin compound may be mesoporous SnO 2 or mesoporous SnO 2 · nH 2 O.

メソポーラスバナジウム化合物は、メソポーラスV又はメソポーラスV・nHOであるのがよい。
メソポーラスアンチモン化合物は、メソポーラスSb、メソポーラスSb・nHO、メソポーラスHSbO、メソポーラスHSbO・nHO、メソポーラスHSbO11、メソポーラスHSbO11・nHO、メソポーラスHSb及びメソポーラスHSb・nHO(式中、xは1、3又は5であり、nは2〜10である)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
メソポーラスカルシウム・ヒドロキシアパタイト及びメソポーラス水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトは、メソポーラスCa10(PO)X及びメソポーラスCa10(PO)X・nHO(式中、Xは−OH及び/又は−Fを示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種であるのがよい。
特に、上述のメソポーラス化合物は各々、官能基を有するのがよい。官能基として、−SOH、−POなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
The mesoporous vanadium compound may be mesoporous V 2 O 5 or mesoporous V 2 O 5 .nH 2 O.
Mesoporous antimony compounds include mesoporous Sb 2 O 5 , mesoporous Sb 2 O 5 .nH 2 O, mesoporous HSbO 3 , mesoporous HSbO 3 .nH 2 O, mesoporous H 2 SbO 11 , mesoporous H 2 SbO 11 so n porous 2 . Selected from the group consisting of H x Sb x P 2 O 3 and mesoporous H x Sb x P 2 O 3 .nH 2 O (wherein x is 1, 3 or 5 and n is 2 to 10). It is good that there is at least one kind.
Mesoporous calcium hydroxyapatite and mesoporous hydrated calcium hydroxyapatite are mesoporous Ca 10 (PO 4 ) X 2 and mesoporous Ca 10 (PO 4 ) X 2 .nH 2 O (wherein X is —OH and / or — And at least one selected from the group consisting of F).
In particular, each of the aforementioned mesoporous compounds preferably has a functional group. Examples of the functional group include —SO 3 H, —PO 4 and the like, but are not limited thereto.

プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダー、好ましくは1×10−3S/cmのオーダー、より好ましくは1×10−2S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有するのがよい。The proton conductive inorganic mesoporous material has an order of 1 × 10 −5 S / cm, preferably 1 × 10 −3 S / cm, more preferably 1 × 10 −2 S / cm at a temperature of 20 to 150 ° C. It is preferable to have proton conductivity on the order of.

<上記材料を含む燃料電池等>
本発明のプロトン伝導性ハイブリッド材料は、燃料電池、特に燃料電池用触媒層、燃料電池用電解質膜に用いることができる。したがって、本発明は、本発明のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池、特に本発明のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層及び/又は燃料電池用電解質膜を提供することができる。
<Fuel cells including the above materials>
The proton-conductive hybrid material of the present invention can be used for fuel cells, particularly fuel cell catalyst layers and fuel cell electrolyte membranes. Therefore, the present invention can provide a fuel cell having the proton conductive hybrid material of the present invention, particularly a fuel cell catalyst layer and / or a fuel cell electrolyte membrane having the proton conductive hybrid material of the present invention.

以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated further in detail based on an Example, this invention is not limited to a present Example.

Nafion(登録商標)と比較して優れた特性を有する細孔フィリング膜の新規の概念を以下に例証する。細孔フィリング膜は、多孔性ポリマー基材、及び該基材の細孔を充填する充填ポリマー電解質からなる。しかしながら、その優れた特性の他に、問題は、高温における水の保持にある。無機粒子は、高温であっても水を保持することが知られている。したがって、ポリマーマトリクスに均質に存在する無機材料と共にポリマーを用いることにより、上記問題を解決することができる。均質な分散は、無機粒子のサイズ、特性及び表面構造に依存する。無機粒子を考慮すると、シリカが最も広く研究されている系である。シリカ粒子を調製する際、シリコンアルコキシドを用いるのが容易である。一方、ジルコニア系は、それが堅い材料であると共に、きびしい化学環境下においても耐えることができるため、より理想的である。スルホン化ポリエーテルスルホン(S-PES)などのスルホン化炭化水素系ポリマーは、低コスト、市販入手可能、並びに熱的安定性及び化学安定性のため、プロトン伝導体として魅力的であり、且つ適切に湿潤化することができれば理想的なプロトン伝導性を示すであろう。   The novel concept of a pore filling membrane having superior properties compared to Nafion® is illustrated below. The pore filling membrane comprises a porous polymer substrate and a filled polymer electrolyte that fills the pores of the substrate. However, besides its excellent properties, the problem is the retention of water at high temperatures. Inorganic particles are known to retain water even at high temperatures. Therefore, the above-mentioned problem can be solved by using the polymer together with the inorganic material present uniformly in the polymer matrix. The homogenous dispersion depends on the size, properties and surface structure of the inorganic particles. Considering inorganic particles, silica is the most widely studied system. When preparing silica particles, it is easy to use silicon alkoxide. Zirconia, on the other hand, is more ideal because it is a hard material and can withstand even in harsh chemical environments. Sulfonated hydrocarbon-based polymers such as sulfonated polyethersulfone (S-PES) are attractive and suitable as proton conductors because of their low cost, commercial availability, and thermal and chemical stability If it can be wetted, it will exhibit ideal proton conductivity.

研究(at a Glance)
概念
1.表面改質剤の存在下、ジルコニアアルコキシドの加水分解及び凝集を制御することによる、極性有機溶媒中での十分な再分散ジルコニアナノ粒子の合成
2.スルホン化ポリエーテルスルホンの合成
3.ナノハイブリッド−ポリマーマトリクス中の無機ナノ粒子の均質分散
4.リン酸化ジルコニアのポリーマトリクス中のin situ合成
5.ハイブリッド電解質のプロトン伝導性
6.ナノハイブリッド電解質を多孔性ポリマー基材の細孔に含浸させることによる細孔フィリング膜の形成
7.プロトン伝導性及び燃料電池試験
Research (at a Glance)
Concept 1. Synthesis of fully redispersed zirconia nanoparticles in polar organic solvents by controlling the hydrolysis and aggregation of zirconia alkoxides in the presence of a surface modifier. 2. Synthesis of sulfonated polyethersulfone 3. Homogeneous dispersion of inorganic nanoparticles in a nanohybrid-polymer matrix. 4. In situ synthesis of phosphorylated zirconia in polymatrix 5. Proton conductivity of hybrid electrolyte 6. Formation of a pore filling membrane by impregnating the pores of a porous polymer substrate with a nanohybrid electrolyte. Proton conductivity and fuel cell testing

細孔フィリング電解質膜の概念図を図2に以下に示す。
ナノハイブリッド細孔充填膜の利点
1.高温(20〜120℃)及び低湿度(〜50%相対湿度)条件下での高い伝導性。
2.高機械的安定性及び高化学的安定性。
3.燃料クロスオーバーが制御される。
4.ポリマー膨潤が、ナノサイズの無機材料及び膜の細孔壁のために、抑制される。
A conceptual diagram of the pore filling electrolyte membrane is shown below in FIG.
Advantages of nano-hybrid pore-filled membranes High conductivity under high temperature (20-120 ° C.) and low humidity (-50% relative humidity) conditions.
2. High mechanical stability and high chemical stability.
3. Fuel crossover is controlled.
4). Polymer swelling is suppressed due to the nano-sized inorganic material and the pore walls of the membrane.

高温及び低温におけるプロトン伝導
Zr(HPO・nHO及びSPESからなるナノハイブリッド
1.低温及び高湿度条件下、プロトン伝導は、いわゆるビークル・メカニズム(溶媒の水がプロトン移送のビークルとして作用する)及び“グロッサス(Grotthuss)”メカニズム(水素結合の存在によるプロトン移送)。
ポリマー系に伴う、異なるタイプの水について図4に示す。
2.高温において、系に伴うフリーの水が蒸発するが、無機材料は水を保持することができる。例えば、層状リン酸ジルコニウムなどの材料が層間の水を保持する。この水を除去するには非常に高温(〜300℃〜400℃)が必要となる。
3.高温において、プロトン伝導性は、リン酸水素ジルコニウムに伴う水の存在によって支配される。この水は、ZrPのP−OHと水素結合することにより結合する。“グロッサス(Grotthuss)”メカニズムがプロトン伝導を支配している。
リン酸水素ジルコニウムの化学構造を図5に示す。
Proton conduction at high and low temperatures Nanohybrids consisting of Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O and SPES Under low temperature and high humidity conditions, proton conduction is a so-called vehicle mechanism (solvent water acts as a proton transfer vehicle) and a “Grotthuss” mechanism (proton transfer due to the presence of hydrogen bonds).
The different types of water associated with the polymer system are shown in FIG.
2. At high temperatures, free water associated with the system evaporates, but inorganic materials can retain water. For example, a material such as layered zirconium phosphate holds water between layers. To remove this water, a very high temperature (~ 300 ° C to 400 ° C) is required.
3. At high temperatures, proton conductivity is governed by the presence of water associated with zirconium hydrogen phosphate. This water is bonded by hydrogen bonding with P—OH of ZrP. The “Grotthuss” mechanism dominates proton conduction.
The chemical structure of zirconium hydrogen phosphate is shown in FIG.

<再分散ナノジルコニア前駆粉体の合成>
無機−有機ハイブリッドの合成における最も重要な点は、無機酸化物/水酸化物の極性有機溶媒中での分散特性である。アセチルアセトンなどの表面改質剤の存在下、ジルコニウムアルコキシドの加水分解及び凝集を制御することにより、十分に再分散可能なジルコニア前駆粉体を調製する。水の量及び乾燥温度は分散特性を決定する。合成した粉体は、極性有機溶媒中で高いレベルの分散を示した。動的光散乱分析は、有機溶媒、1-メチルピロリドン(NMP)中の粉体及びポリマーと混合後に関して、Zetasizer NanoZS(Malvern Instruments, UK)を用いて行った。図6に示す。
極性有機溶媒中で十分に再分散可能なナノジルコニア前駆粉体を表面改質剤を用いて合成した。
<Synthesis of redispersed nano-zirconia precursor powder>
The most important point in the synthesis of the inorganic-organic hybrid is the dispersion characteristics of the inorganic oxide / hydroxide in a polar organic solvent. A sufficiently redispersible zirconia precursor powder is prepared by controlling the hydrolysis and aggregation of zirconium alkoxide in the presence of a surface modifier such as acetylacetone. The amount of water and the drying temperature determine the dispersion characteristics. The synthesized powder showed a high level of dispersion in polar organic solvents. Dynamic light scattering analysis was performed using a Zetasizer NanoZS (Malvern Instruments, UK) for the powder and polymer in organic solvent, 1-methylpyrrolidone (NMP) after mixing. As shown in FIG.
Nano-zirconia precursor powder that can be sufficiently redispersed in polar organic solvent was synthesized using surface modifier.

<ナノハイブリッド合成>
SPESポリマーマトリクス中でのリン酸水素ジルコニウムのin situ生成を、無機材料とポリマー溶液とを混合後、フィルムキャストすることにより、行った。フィルムをさらにリン酸で処理して均質に分散したZrをZrPへと変換した。このフィルムを熱湯で処理し、存在する過剰の酸を除去した。得られたフィルムは、ポリマーマトリクス中にナノ粒子が高均質に組み込まれていることを示す透明であった。リン酸水素ジルコニウムを考慮すると、利点として次のものが挙げられる。
・SiO、TiO及びゼオライトなどの固体よりも高伝導性。
・酸、アルコールに溶けない。
・膜から溶出しない。
・熱的安定性及び化学安定性。
・膜内であっても高温で高い伝導性。
これに加えて、Zr(HPO・nHOは、SPESのスルホン酸基と相互作用することができ、プロトンを解離することができる。Zr(HPO・nHOはまた、SPESのプロトン交換部位を橋渡しすることができ、これにより、プロトンホッピングの距離を短くすることができる。
図7は、種々の湿度条件下での90℃におけるハイブリッド電解質のプロトン伝導性を示す。10−1のオーダーでの高い伝導性は、90℃でのZr/ZrP−SPESにより達成されている。
<Nanohybrid synthesis>
In situ generation of zirconium hydrogen phosphate in the SPES polymer matrix was performed by film casting after mixing the inorganic material and the polymer solution. The film was further treated with phosphoric acid to convert the homogeneously dispersed Zr + to ZrP. The film was treated with hot water to remove any excess acid present. The resulting film was transparent, indicating that the nanoparticles were highly homogeneously incorporated into the polymer matrix. Considering zirconium hydrogen phosphate, advantages include the following.
· SiO 2, TiO 2 and higher conductivity than solids such as zeolites.
・ Insoluble in acid and alcohol.
-Does not elute from the membrane.
-Thermal stability and chemical stability.
-High conductivity at high temperatures even within the membrane.
In addition, Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O can interact with the sulfonic acid group of SPES and can dissociate protons. Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O can also bridge the proton exchange site of SPES, thereby shortening the proton hopping distance.
FIG. 7 shows the proton conductivity of the hybrid electrolyte at 90 ° C. under various humidity conditions. High conductivity on the order of 10 −1 has been achieved with Zr / ZrP-SPES at 90 ° C.

<1.再分散ジルコニア前駆粉体のゾルゲル合成>
ジルコニアゾルをジルコニウムアルコキシド(ジルコニウムブトキシド)から調製した。即ち、ジルコニウムアルコキシドの希釈溶液(0.05M)をまず、イソプロピルアルコールで調製した。ゾル調製の際、表面改質剤(アセチルアセトンなど)をジルコニウムアルコキシド溶液中に、攪拌下、滴下し、2時間攪拌を続けた。金属(M)と表面改質剤(L)との比率は1:2であった。1M硝酸溶液を加水分解触媒として用い、激しく攪拌しながら、上記の系に加えて、清澄、透明、安定なジルコニアゾルを得た。これをさらに一晩攪拌し、90℃で溶媒を留去してジルコニアゲルを得た。さらに空気乾燥器中、1日間、90/100℃で乾燥した。この乾燥粉体を、ポリマー用有機溶媒への分散挙動のためにテストした。ストークス(Stokes)粒径測定のための動的光散乱実感を、動的光散乱器(MELVERN,
Nano-2004, UK)を用いて行った。
<1. Sol-gel synthesis of redispersed zirconia precursor powder>
A zirconia sol was prepared from zirconium alkoxide (zirconium butoxide). That is, a diluted solution (0.05M) of zirconium alkoxide was first prepared with isopropyl alcohol. During preparation of the sol, a surface modifier (acetylacetone, etc.) was dropped into the zirconium alkoxide solution with stirring, and stirring was continued for 2 hours. The ratio of metal (M) to surface modifier (L) was 1: 2. A 1M nitric acid solution was used as a hydrolysis catalyst, and in addition to the above system with vigorous stirring, a clear, transparent and stable zirconia sol was obtained. This was further stirred overnight, and the solvent was distilled off at 90 ° C. to obtain a zirconia gel. Furthermore, it dried at 90/100 degreeC for 1 day in the air dryer. This dry powder was tested for dispersion behavior in organic solvents for polymers. The dynamic light scattering feeling for Stokes particle size measurement is changed to a dynamic light scatterer (MELVERN,
Nano-2004, UK).

<2.プロトン伝導性ハイブリッド電解質の合成>
上述の無機ナノ粒子をスルホン化ポリエーテルスルホン(S-PES)へ組み込むことにより、プロトン伝導性ハイブリッド電解質の合成を行った。
適量のポリマーを有機極性溶媒(N-メチルピロリドン(NMP))に溶解することにより、S-PESの20wt%溶液を作製した。必要量の粉体を有機極性溶媒(NMP)に溶解することにより、ジルコニア粉末の30wt%溶液を調製した。ジルコニアが種々の重量%でS-PESに組み込まれたハイブリッド電解質を得るために、種々の量のジルコニアを含む極性有機溶媒による溶液をS-PES溶液とブレンドした。多孔性基材を用いずに、120℃でのキャスト法及びその後に80℃で一晩、真空乾燥することにより、自立(self-standing)ハイブリッドフィルム(Zr-SPES)を調製した。
<2. Synthesis of proton conductive hybrid electrolyte>
A proton conducting hybrid electrolyte was synthesized by incorporating the inorganic nanoparticles described above into sulfonated polyethersulfone (S-PES).
A 20 wt% solution of S-PES was prepared by dissolving an appropriate amount of polymer in an organic polar solvent (N-methylpyrrolidone (NMP)). A required amount of powder was dissolved in an organic polar solvent (NMP) to prepare a 30 wt% solution of zirconia powder. In order to obtain hybrid electrolytes in which zirconia was incorporated into S-PES at various weight percentages, solutions with polar organic solvents containing various amounts of zirconia were blended with the S-PES solution. A self-standing hybrid film (Zr-SPES) was prepared by casting at 120 ° C. and then vacuum drying at 80 ° C. overnight without using a porous substrate.

SPESポリマーマトリクス中に均質に分散されたジルコニアナノ粒子がリン酸水素ジルコニウム(ZrP-SPES)へと変換されるように、得られたZr-SPESハイブリッドフィルムを、リン酸の希釈溶液(2M)で、80℃で6時間、処理した。リン酸処理後、ハイブリッド中に存在する余剰のリン酸を除去するために、得られたZrP-SPES膜を沸騰水で処理した。ハイブリッドフィルムのプロトン伝導率をインピーダンス法を用いて測定した。   The resulting Zr-SPES hybrid film is diluted with a dilute solution of phosphoric acid (2M) so that the zirconia nanoparticles uniformly dispersed in the SPES polymer matrix are converted to zirconium hydrogen phosphate (ZrP-SPES). And treated at 80 ° C. for 6 hours. After the phosphoric acid treatment, the obtained ZrP-SPES film was treated with boiling water in order to remove excess phosphoric acid present in the hybrid. The proton conductivity of the hybrid film was measured using the impedance method.

図6は、溶媒NMP及びSPES/NMPに再分散したジルコニア前駆粉体の動的光散乱(DLS)の結果を示すグラフである。再分散後、粒子のストークス径は、原料であるゾルと同様に、2nm以下を示し、このことから、前駆体が高い分散特性を示すことがわかる。ポリマー溶液との混合後、径は2〜3.5nmの範囲にあることがわかる。径の若干の増大は、ポリマーマトリクス中で粒子が非常に微細に凝集したことによるものであろう。種々の相対湿度(RH)条件下(30%〜90%RH)でのハイブリッドフィルムのプロトン伝導率の値を、90℃(図7を参照のこと)及び55℃(図8を参照のこと)で、インピーダンス法により測定した。   FIG. 6 is a graph showing the results of dynamic light scattering (DLS) of zirconia precursor powder redispersed in the solvents NMP and SPES / NMP. After redispersion, the Stokes diameter of the particles is 2 nm or less, as in the case of the sol as a raw material, and it can be seen from this that the precursor exhibits high dispersion characteristics. It can be seen that the diameter is in the range of 2 to 3.5 nm after mixing with the polymer solution. The slight increase in diameter may be due to the very fine aggregation of the particles in the polymer matrix. The proton conductivity values of the hybrid film under various relative humidity (RH) conditions (30% -90% RH) were measured at 90 ° C. (see FIG. 7) and 55 ° C. (see FIG. 8). And measured by the impedance method.

SPESのみと比較すると、無機材料による改質後の導電率において、かなりの増大が観察される。また、無機材料の量と共に、導電率の増大が観察される。プロトン伝導性は、ヒドロキシ結合からのプロトンの解離、及びヒドロキシ基と水分子との間におけるプロトンホッピングにより促進される。無機材料の量が増加すると共に、ヒドロキシ基の量が増大する。これらが高温においても水を保持することができるので、より高い導電率をもたらすこととなる。S-PESに組み込まれたリン酸水素ジルコニウムのプロトン伝導性の値は、それと対比されるものと比較すると、高い導電率を示した。その表面のイオン源、−P OHは、内部のものよりもより水和化し易く、解離の増大、水のプロトン化の増大をもたらすこととなる。プロトン解離エネルギーは、ヒドロキシル結合の水素結合強度によって一次的には測定される。強力な水素結合によってヒドロキシル基に結合するカチオンは、導電率を増大させるのに好都合である。リン酸イオンは、強力なH−結合イオンとしての1つの有力な候補である。P−OHにおける水素は、水分子とより強力に水素結合する。これにより、P−OHから水を除去するのに必要な温度は高くなる。また、Zr(HPOは、S-PESのスルホン酸基と相互作用し得る。また、プロトンを解離し得る。S-PESのサイトにおいて、プロトン交換を架け渡しすることができる。これにより、プロトンホッピングの距離を短くすることができ、ZrPで改質したNafion(登録商標)の場合に報告されたように、増大した導電率をもたらすことができる。Compared to SPES alone, a significant increase in conductivity after modification with inorganic materials is observed. Also, an increase in conductivity is observed with the amount of inorganic material. Proton conductivity is facilitated by the dissociation of protons from hydroxy bonds and proton hopping between hydroxy groups and water molecules. As the amount of inorganic material increases, the amount of hydroxy groups increases. These can retain water even at high temperatures, resulting in higher electrical conductivity. The proton conductivity value of zirconium hydrogen phosphate incorporated in S-PES showed high conductivity compared to that compared with it. The ion source on the surface, -POH, is more hydrated than the internal one, leading to increased dissociation and increased water protonation. Proton dissociation energy is primarily measured by the hydrogen bond strength of the hydroxyl bond. A cation bonded to the hydroxyl group by a strong hydrogen bond is advantageous for increasing the conductivity. Phosphate ions are one strong candidate as strong H-bond ions. The hydrogen in P—OH bonds more strongly with water molecules. This increases the temperature required to remove water from the P-OH. Zr (HPO 4 ) 2 can interact with the sulfonic acid group of S-PES. It can also dissociate protons. Proton exchange can be bridged at the S-PES site. This can reduce proton hopping distances and can result in increased conductivity, as reported in the case of Nafion® modified with ZrP.

<ZrP−SPESナノハイブリッド−プロトン伝導>
温度上昇と共に導電率の増大が除外されるのが通常である。無機材料が存在することにより、高温における水の取り込み及び水の保持の双方を増大させることができる。フリーの水と結合した水との比率は、無機材料を含むSPESと比較して、SPESの場合の方が高い。高温において、プロトン伝導は、無機材料と共に存在する結合した水の存在によるものである。しかしながら、2つのプロトン伝導のメカニズムを考慮すると、低温においては、フリーの水が存在することによる、ビークル・メカニズム(vehicle mechanism)が支配的である一方、高温においては、プロトン伝導は、グロッサス・メカニズム(Grotthhus mechanism)に主である。
<ZrP-SPES nanohybrid-proton conduction>
Usually, the increase in conductivity is ruled out with increasing temperature. The presence of the inorganic material can increase both water uptake and water retention at high temperatures. The ratio of free water to combined water is higher in SPES than in SPES containing inorganic materials. At high temperatures, proton conduction is due to the presence of bound water present with the inorganic material. However, considering the two proton conduction mechanisms, the vehicle mechanism is dominant at low temperatures due to the presence of free water, while at high temperatures proton conduction is the gross mechanism. Mainly (Grotthhus mechanism).

実験
<ハイブリッド粒径の制御>
ナノサイズの粒子は、高い表面エネルギーを有し、隣接する粒子と容易に凝集することができる。無機固体プロトン伝導体材料にとって、表面積が大であること及び粒子間距離が重要である。粒子表面を安定化させることが必要である。このため、SPESイオノマーをキャッピング剤として用いてジルコニアとナノハイブリッドする。図10に示すように、吸着力及び/又は結合力のため、お互いが引きつけ合う。ナノハイブリッドしたジルコニアとSPESとの強度は、アルコールなど(の還元剤)により向上する。なぜなら、アルコールは、SPESにとっての貧溶媒だからである。粒径制御の方法は以下の通りである。
Experiment <Control of hybrid particle size>
Nano-sized particles have high surface energy and can easily aggregate with neighboring particles. For inorganic solid proton conductor materials, a large surface area and interparticle distance are important. It is necessary to stabilize the particle surface. For this reason, SPES ionomer is used as a capping agent and nano-hybridized with zirconia. As shown in FIG. 10, each other attracts each other due to the adsorption force and / or the binding force. The strength of nano-hybridized zirconia and SPES is improved by (reducing agent) such as alcohol. This is because alcohol is a poor solvent for SPES. The method for controlling the particle size is as follows.

材料
水和ジルコニア;
SPES イオン交換樹脂;
DMF(ジメチルホルムアミド);及び
アルコール。
Material hydrated zirconia;
SPES ion exchange resin;
DMF (dimethylformamide); and alcohol.

手順
1.攪拌子を入れたビーカーにDMFに溶解した10wt%水和ジルコニア溶液0.1375gを秤量した。
2.磁気攪拌機で溶液を攪拌した。
3.SPESの5wt%DMF溶液0.1375gをゆっくりと滴下した。
4.密封下で、2時間、溶液を磁気攪拌機で攪拌した。
5.混合溶液(DMF0.05gとアルコール0.1g)0.15gをゆっくりと滴下した。
6.開放系で、30分間、溶液を磁気攪拌機で攪拌した。
7.密封系で、6時間、溶液を磁気攪拌機で攪拌した。
粒径分布の変化をDLS(動的光散乱)により検知した。
Procedure 1. In a beaker containing a stir bar, 0.1375 g of a 10 wt% hydrated zirconia solution dissolved in DMF was weighed.
2. The solution was stirred with a magnetic stirrer.
3. 0.1375 g of 5 wt% DMF solution of SPES was slowly added dropwise.
4). The solution was stirred with a magnetic stirrer for 2 hours under sealing.
5. 0.15 g of the mixed solution (DMF 0.05 g and alcohol 0.1 g) was slowly added dropwise.
6). The solution was stirred with a magnetic stirrer for 30 minutes in an open system.
7). The solution was stirred with a magnetic stirrer for 6 hours in a sealed system.
Changes in the particle size distribution were detected by DLS (dynamic light scattering).

<触媒層の形成>
材料
テフロン(登録商標)カーボンペーパー(EC-TP1-060T);
白金担持カーボン:46.5wt% Pt/ケッチェンブラック(TEC10E50E);
SPES50 イオン交換樹脂;
PTFE分散体:水に60wt%分散。
<Formation of catalyst layer>
Material Teflon (registered trademark) carbon paper (EC-TP1-060T);
Platinum-supported carbon: 46.5 wt% Pt / Ketjen black (TEC10E50E);
SPES50 ion exchange resin;
PTFE dispersion: 60 wt% dispersion in water.

手順
1.攪拌子を入れたビーカーに粒径制御したハイブリッドイオノマー0.375gを秤量した。
2.白金担持カーボン0.066gを加えた。
3.SPES0.0068gを加えた。
4.このペースト状のものを磁気攪拌機で溶液を攪拌し、適切な粘度になるまで超音波をかけて溶媒を留去した。
5.パスツールピペットを用いてPTFE分散体0.0275gを加え、1分間攪拌した。
6.スクリーンプリントにより拡散層上にペースト状のものをコーティングした。
Procedure 1. In a beaker containing a stir bar, 0.375 g of a hybrid ionomer having a controlled particle size was weighed.
2. 0.066 g of platinum-supported carbon was added.
3. SPES 0.0068 g was added.
4). The paste-like product was stirred with a magnetic stirrer, and the solvent was distilled off by applying ultrasonic waves until an appropriate viscosity was obtained.
5. Using a Pasteur pipette, 0.0275 g of PTFE dispersion was added and stirred for 1 minute.
6). A paste-like material was coated on the diffusion layer by screen printing.

<電極の構造分析>
水銀細孔分析−一次細孔分布
水銀細孔分析法は、質的に、固体試料の孔構造を精査するもっとも用いられる方法の1つである。
<Structural analysis of electrode>
Mercury Pore Analysis—Primary Pore Distribution Mercury Pore Analysis is one of the most commonly used methods for qualitatively examining the pore structure of solid samples.

バブルポイント試験−二次細孔分布
バブルポイント試験の結果は、電極の二次細孔構造を示す。
<サイクリックボルタンメトリによる白金表面積の決定>
サイクリックボルタンメトリにおいて、測定される電流は、空きのPtサイト上又はサイトからの水素吸着及び水素脱着によるものである。水素吸着/脱着による電荷QH(C)は、サイクリックボルタングラムから得ることができる。全Pt表面積SPtは、以下の式により概算することができる。
Bubble Point Test-Secondary Pore Distribution The result of the bubble point test indicates the secondary pore structure of the electrode.
<Determination of platinum surface area by cyclic voltammetry>
In cyclic voltammetry, the current measured is due to hydrogen adsorption and desorption on or from empty Pt sites. The charge QH (C) due to hydrogen adsorption / desorption can be obtained from a cyclic voltammogram. The total Pt surface area SPt can be estimated by the following equation.

Figure 2007029346
Figure 2007029346

Pt表面の原子密度を1.31×1015(/cm)と仮定して、QHをサイクリックボルタングラム面積の値として測定することができる。Assuming that the atomic density of the Pt surface is 1.31 × 10 15 (/ cm 2 ), QH can be measured as a value of a cyclic voltammogram area.

<結果と考察>
<ハイブリッドの粒径分布>
図11及び図12は各々、DLSによる各々のサイズ分布を示す。図11において、水和ジルコニアの粒径は、ピーク位置において、ほぼ1.2nmであり、ナノハイブリッドジルコニアの粒径は、水によりブロードな形状へと変化した。これは、ナノハイブリッドしたジルコニアが凝集体を形成し、不安定な状態をあることを示す。SPESのサイズ分布のピークは、ナノハイブリッドジルコニアを組み込むことにより、左方向にシフトした。これは、図12において還元剤を加えることによって、より小さいサイズを形成することを示している。
<Results and discussion>
<Hybrid particle size distribution>
11 and 12 each show a size distribution by DLS. In FIG. 11, the particle size of hydrated zirconia was approximately 1.2 nm at the peak position, and the particle size of nanohybrid zirconia was changed to a broad shape by water. This indicates that the nanohybridized zirconia forms aggregates and is in an unstable state. The SPES size distribution peak shifted to the left by incorporating nanohybrid zirconia. This shows that by adding a reducing agent in FIG. 12, a smaller size is formed.

<電極の構造分析>
図13及び図14は各々、水銀細孔分析及びバブルポイント試験による細孔径分布を示す。図13において、SPES3及び水和ジルコニアハイブリッド電極の一次細孔径のピークは、SPES3電極よりも左側に位置する。これは、ハイブリッドイオノマーのサイズがより小さいため、ハイブリッドイオノマーがSPES3イオノマーよりも、容易に一次細孔へ侵入できることを意味する。図14において、各電極の二次細孔径分布は、ほとんど同じ領域、即ち0.3〜0.5μmの領域に位置している。
<Structural analysis of electrode>
13 and 14 show the pore size distributions by mercury pore analysis and bubble point test, respectively. In FIG. 13, the peak of the primary pore diameter of the SPES3 and hydrated zirconia hybrid electrode is located on the left side of the SPES3 electrode. This means that the hybrid ionomer can enter the primary pore more easily than the SPES3 ionomer because the size of the hybrid ionomer is smaller. In FIG. 14, the secondary pore diameter distribution of each electrode is located in almost the same region, that is, a region of 0.3 to 0.5 μm.

<サイクリックボルタンメトリによる触媒利用>
図15及び図16は、サイクリックボルタンメトリの結果を示す。図15において、SPES電極の利用率は、点線のベースラインと黒のピーク線によって囲まれた領域である。よって、ハイブリッド電極の触媒利用率は、SPES電極のそれよりも大きいことがわかる。図15及び図16からわかるように、修飾化ハイブリッド電極の触媒利用率が最大であることがわかる。
<Use of catalyst by cyclic voltammetry>
15 and 16 show the results of cyclic voltammetry. In FIG. 15, the utilization rate of the SPES electrode is a region surrounded by a dotted base line and a black peak line. Therefore, it can be seen that the catalyst utilization rate of the hybrid electrode is larger than that of the SPES electrode. As can be seen from FIGS. 15 and 16, it can be seen that the catalyst utilization of the modified hybrid electrode is the maximum.

<まとめ>
SPESにナノ水和ジルコニアを組み込んだハイブリッドイオノマーにおいて、二つの効果をえることができる。1つは、ナノ粒子の表面の安定化である。もう1つは、今回のケースにおけるナノ水和ジルコニアのようなベースマトリクスにより、その分子量とより小さいサイズとの比率において、旋回半径のようなサイズからSPESのサイズが変化することである。より小さいサイズのイオノマーは全て、電極における一次細孔のような細孔構造に関連する。高分子量のポリマーでキャップされたナノサイズのハイブリッド粒子は、ハイブリッド粒子径に依存するが、一次細孔へ容易に侵入することができ、触媒層中の一次細孔の内部表面積を覆うことができる。よって、触媒の利用率を向上させることができる。
<Summary>
Two effects can be obtained in hybrid ionomers incorporating nano-hydrated zirconia in SPES. One is the stabilization of the surface of the nanoparticles. The other is that the size of SPES changes from the size like the turning radius in the ratio of the molecular weight to the smaller size due to the base matrix like nanohydrated zirconia in this case. All smaller sized ionomers are associated with a pore structure such as the primary pore in the electrode. Nano-sized hybrid particles capped with high molecular weight polymers, depending on the hybrid particle size, can easily penetrate the primary pores and cover the internal surface area of the primary pores in the catalyst layer . Therefore, the utilization factor of the catalyst can be improved.

<1.1 ハイブリッド粒子の含水率制御>
ハイブリッド電解質粒子の粒径を還元処理(アルコール処理)することで粒径を制御し、高温で電池試験をした。サイクリックボルタングラム(CV)測定では、還元処理をしたハイブリッド粒子が一次細孔に入りやすくなり、触媒利用率の向上が確認できた。しかし、I−V測定では、高温での電池性能の変化は確認できなかった。そこで、プロトン伝導に重要な水の保持力を向上させるため、図17に示す処理を行った。
<1.1 Control of moisture content of hybrid particles>
The particle size of the hybrid electrolyte particles was controlled by reduction treatment (alcohol treatment), and the battery test was performed at a high temperature. In cyclic voltammogram (CV) measurement, it was confirmed that the hybrid particles subjected to the reduction treatment easily entered the primary pores, and the catalyst utilization rate was improved. However, changes in battery performance at high temperatures could not be confirmed by IV measurement. Therefore, the treatment shown in FIG. 17 was performed in order to improve the water holding power important for proton conduction.

<実験手順>
極性溶媒(DMF)に水和ジルコニアを溶かす。
ジルコニア溶液にSPESを分散させ、一定比の水/アルコール混合液を混ぜる。
この混合液を一日間攪拌させる。
この混合液の粒径分布をDLS測定で確認した。
その後、このハイブリッド粒子を使い、細孔フィリング膜と電極を作製した。このハイブリッド膜・電極接合体(MEA : Membrane Electrode Assembly)の電池試験を行った。
<Experimental procedure>
Dissolve hydrated zirconia in a polar solvent (DMF).
Disperse SPES in zirconia solution and mix water / alcohol mixture at a certain ratio.
The mixture is allowed to stir for 1 day.
The particle size distribution of this mixed solution was confirmed by DLS measurement.
Thereafter, using these hybrid particles, a pore filling membrane and an electrode were produced. A battery test of this hybrid membrane-electrode assembly (MEA) was performed.

<1.2 Zirconia phosphateを用いたハイブリッドMEAの電池性能評価>
Hydrated zirconiaはリン酸処理で容易に層構造を持つZirconia phosphateになる。このZrPは高いプロトン伝導性を表すことが知られている。そこで実験1.1で作製したハイブリッド粒子を用い、細孔フィリング膜と電極を作製し、その後リン酸処理をした。
<1.2 Battery performance evaluation of hybrid MEA using Zirconia phosphate>
Hydrated zirconia is easily converted to Zirconia phosphate with a layer structure by phosphoric acid treatment. This ZrP is known to exhibit high proton conductivity. Therefore, using the hybrid particles prepared in Experiment 1.1, a pore filling membrane and an electrode were prepared, and then phosphoric acid treatment was performed.

実験手順
細孔フィリング膜
作製された細孔フィリング膜を水に浸し、充分に膨潤させる。
その膜を80℃の2Mのリン酸の中に6時間浸す。
その後、純水に浸し、余分なリン酸を洗い出す。
電極
作製された電極を80℃の2Mのリン酸の中に6時間浸す。
その後、純水に浸し、余分なリン酸を洗い出す。
真空乾燥機で乾燥させる。
その後、ホットプレスをし、ハイブリッドMEAを作製して電池試験をした。
Experimental Procedure Pore Filling Membrane The prepared pore filling membrane is immersed in water and fully swollen.
The membrane is soaked in 2M phosphoric acid at 80 ° C. for 6 hours.
Then, soak in pure water to wash out excess phosphoric acid.
Electrode The prepared electrode is immersed in 2M phosphoric acid at 80 ° C. for 6 hours.
Then, soak in pure water to wash out excess phosphoric acid.
Dry in a vacuum dryer.
Thereafter, hot pressing was performed to produce a hybrid MEA and a battery test was performed.

結果及び考察
2.1ハイブリッド粒子の含水率制御
図18はDLS測定結果を示す。含水率を制御したハイブリッド粒子が約3.2nmのピークを表し、還元処理だけのハイブリッド粒子は約2.8nmを表す。これにより、含水率処理をした粒子の粒径が大きいことから水が導入できたことがわかる。
図19はCyclic voltammetry測定結果をしめす。SPES電極に比べ、ハイブリッド電極の触媒利用率が高いことが確認できる。これはナノオーダーのハイブリッド粒子の大きさが小さいため、一次細孔に入りやすくなったためだと考えられる。
Results and Discussion 2.1 Control of moisture content of hybrid particles FIG. 18 shows the results of DLS measurement. Hybrid particles with controlled moisture content show a peak at about 3.2 nm, and hybrid particles with only reduction treatment show about 2.8 nm. Thereby, it can be seen that water could be introduced because the particle size of the particles subjected to the moisture content treatment was large.
FIG. 19 shows the results of cyclic voltammetry measurement. It can be confirmed that the catalyst utilization of the hybrid electrode is higher than that of the SPES electrode. This is thought to be due to the small size of the nano-order hybrid particles that made it easier to enter the primary pores.

図20はハイブリッド細孔フィリング膜を示す。図20の上はPI基材(膜厚30μm、UPILEX-PT)の写真であり、基材のしたに書かれているSubstrateの字が見えない。下は基材の細孔にハイブリッド粒子がフィリングでき、透明になったことがわかる。
図21は各MEAの100
℃での電池性能を表す。含水率をあげたハイブリッド粒子を使ったハイブリッドMEAのIV特性がほかのMEAよりいいことがわかる。これは導入された水がジルコニア粒子表面のOH又はSPESのスルホン酸基と水素結合を形成し、全体的に水の保持力が上昇、高温でもプロトン伝導パスが維持できたためと考えられる。
FIG. 20 shows a hybrid pore filling membrane. The top of FIG. 20 is a photograph of a PI substrate (film thickness 30 μm, UPILEX-PT), and the Substrate character written on the substrate is not visible. Below, it can be seen that the hybrid particles can be filled in the pores of the base material and become transparent.
FIG. 21 shows 100 for each MEA.
Represents battery performance at ° C. It can be seen that the hybrid MEA using hybrid particles with increased moisture content has better IV characteristics than other MEAs. This is presumably because the introduced water forms hydrogen bonds with OH or SPES sulfonic acid groups on the surface of the zirconia particles, and the water retention capacity increases as a whole, and the proton conduction path can be maintained even at high temperatures.

図21は水和ジルコニアhydrated zirconiaをベースにSPESをcappingしたハイブリッド粒子を用いた細孔フィリング膜と電極のハイブリッドMEA(Membrane Electrode Assembly)とリン酸化処理で得られたZirconia phosphateの細孔フィリング膜と電極のハイブリッドMEA、そしてNafion 112 膜とSPES電極のSPES
MEAのIV特性と膜のIR lossを省いたIR loss freeのIV特性を示す。高温(100 ℃)以上になると膜と電極のプロトン伝導に必要な含水量が減り、発電性能が落ちてしまう。今回、含水率を向上させたハイブリッド粒子は高温でその効果が現れ、ハイブリッドMEA(水和ジルコニアhydrated zirconiaとZirconia phosphate)のほうがNafion 112 + SPES 電極MEAより、高い性能を示している。ハイブリッドMEAのなかではZrPを用いたMEAが水和ジルコニアhydrated
zirconiaより性能が高い。これはZrPの層構造による高いプロトン伝導性によると考えられる。また、開放起電力では細孔フィリング膜がNafion 112膜より高い。これは細孔フィリング膜が膨潤しにくいため、燃料のクロスオーバーがNafion膜に比べ、起こりにくいためであると考えられる。
FIG. 21 shows a pore filling membrane and electrode hybrid MEA (Membrane Electrode Assembly) using hybrid particles obtained by capping SPES based on hydrated zirconia and Zirconia phosphate pore filling membrane obtained by phosphorylation. Hybrid MEA of electrodes, and SPES of Nafion 112 membrane and SPES electrodes
IV characteristics of ME loss and IR loss free of IR loss of membrane are shown. When the temperature is higher (100 ° C) or higher, the water content necessary for proton conduction between the membrane and the electrode decreases, resulting in a decrease in power generation performance. This time, hybrid particles with improved moisture content show their effect at high temperatures, and hybrid MEA (hydrated zirconia and Zirconia phosphate) shows higher performance than Nafion 112 + SPES electrode MEA. Among hybrid MEAs, MEA using ZrP is hydrated zirconia
Higher performance than zirconia. This is thought to be due to the high proton conductivity due to the ZrP layer structure. In addition, the pore filling film is higher than the Nafion 112 film at the open electromotive force. This is considered to be because the cross-over of the fuel is less likely to occur compared to the Nafion membrane because the pore filling membrane is less likely to swell.

電子移動経路としてのカーボン、ガス又はプロトン移動経路としてのイオノマー、及び電力発生部位としての白金触媒からなる触媒層の概念図を示す(一次細孔(20nm〜40nm)及び凝集サイズによる二次細孔(40nm)の複雑な構造を有する)。A conceptual diagram of a catalyst layer composed of carbon as an electron transfer path, an ionomer as a gas or proton transfer path, and a platinum catalyst as a power generation site is shown (primary pores (20 to 40 nm) and secondary pores depending on the aggregate size) (Having a complex structure of 40 nm). 細孔フィリング電解質膜の概念図を示す。The conceptual diagram of a pore filling electrolyte membrane is shown. Zr(HPO・nHO及びSPESからなるナノハイブリッドのプロトン伝導性のメカニズムを示す(低温でのプロトン伝導性(フリーの水と層間の水による効果)と、高温でのプロトン伝導性(ZrPの層間の水による効果)とを示す)図である。The proton conductivity mechanism of the nanohybrid composed of Zr (HPO 4 ) 2 · nH 2 O and SPES is shown (proton conductivity at low temperature (effect of free water and water between layers) and proton conductivity at high temperature. (Effects of water between layers of ZrP)). フリーの水、結合した水、フリーではない水の概念図である。It is a conceptual diagram of free water, combined water, and non-free water. リン酸水素ジルコニウムの化学構造を示す図である。It is a figure which shows the chemical structure of hydrogen hydrogen zirconium phosphate. a)NMP溶媒中のジルコニア前駆粉体、b)SPES/NMP中のジルコニア前駆粉体の動的光散乱(DLS)分析結果を示すグラフである。It is a graph which shows the dynamic light scattering (DLS) analysis result of a) the zirconia precursor powder in a NMP solvent, b) the zirconia precursor powder in SPES / NMP. a)SPES、b)Zr(10%)−SPES、c)Zr(30%)−SPES、d)Zr(50%)−SPES及びe)ZrP−SPESの、90℃での導電率を示すグラフである。Graph showing conductivity at 90 ° C. of a) SPES, b) Zr (10%)-SPES, c) Zr (30%)-SPES, d) Zr (50%)-SPES and e) ZrP-SPES. It is. SPES、Zr−SPES、及びZrP−SPESの、55℃での導電率を示すグラフである。It is a graph which shows the electrical conductivity in 55 degreeC of SPES, Zr-SPES, and ZrP-SPES. ZrP−SPES系における、低温でのプロトン伝導性(フリーの水と層間の水による効果)と、高温でのプロトン伝導性(ZrPの層間の水による効果)とを示す模式図である。It is a schematic diagram showing proton conductivity at low temperature (effect by free water and water between layers) and proton conductivity at high temperature (effect by water between layers of ZrP) in the ZrP-SPES system. SPESでキャップした無機ナノ粒子(ハイブリッド粒子)、及びさらに還元剤(アルコール)を加えて粒径を制御したハイブリッド粒子を示す図である。It is a figure which shows the hybrid particle which added the inorganic nanoparticle (hybrid particle) capped with SPES, and added the reducing agent (alcohol), and controlled the particle size. DMF中のジルコニア粒子及びこれに水を加えた場合のジルコニア粒子の粒径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the zirconia particle at the time of adding the zirconia particle in DMF and this to water. DMF中のZr粒子、DMF中のSPES3、DMF中のZr粒子+SPES3、並びに粒径制御した(還元剤(アルコール)処理した)場合の粒径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution in the case of Zr particle | grains in DMF, SPES3 in DMF, Zr particle | grains + SPES3 in DMF, and particle size control (reducing agent (alcohol) treatment). 水銀細孔分析による各電極の一次細孔の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the primary pore of each electrode by a mercury pore analysis. バブルポイント試験による各電極の二次細孔の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the secondary pore of each electrode by a bubble point test. ハイブリッドを用いた電極及びSPES3電極のサイクリックボルタングラムを示す図である。It is a figure which shows the cyclic voltammogram of the electrode using a hybrid, and SPES3 electrode. ハイブリッド及び修飾ハイブリッド(粒径制御ハイブリッド)還元剤(アルコール)のサイクリックボルタングラムを示す図である。It is a figure which shows the cyclic voltamgram of a hybrid and modification hybrid (particle size control hybrid) reducing agent (alcohol). ハイブリッド粒子の概念図である。It is a conceptual diagram of a hybrid particle. 動的光散乱分析によるハイブリッド粒子のストークス径分布を示すグラフである。It is a graph which shows the Stokes diameter distribution of the hybrid particle by a dynamic light scattering analysis. ハイブリッド電極及びSPES電極のサイクリックボルタンメトリの測定結果を示す。The measurement result of the cyclic voltammetry of a hybrid electrode and a SPES electrode is shown. ハイブリッドの細孔充填前後の基材の透明性を示す図である。It is a figure which shows the transparency of the base material before and behind the hybrid pore filling. 各MEA(ハイブリッドMEA(ZrP)、ハイブリッドMEA(Zr)、Nafion112+SPES電極)のIV性能を示すグラフである。It is a graph which shows IV performance of each MEA (hybrid MEA (ZrP), hybrid MEA (Zr), Nafion112 + SPES electrode).

Claims (143)

プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料であって、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記プロトン伝導性ハイブリッド材料。 A proton conductive hybrid material having proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. material. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1記載の材料。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. The material of claim 1 which is a seed. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1又は2記載の材料。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3) 2, Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P-R 1 -SO 3 H) 2, Zr (O 3 P-R 1 -SO 3 H) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R) 3 -COOH) in x · nH 2 O (wherein, R 1, R 2, and R 3 each independently claim 1 is at least one selected from the group consisting of a divalent aromatic group) Or the material of 2. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、チタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1又は2記載の材料。The proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO The material according to claim 1 or 2, which is at least one selected from the group consisting of 3 ) 2 and Ti (HSO 3 ) 2 · nH 2 O. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項1〜4のいずれか1項記載の材料。 The material according to claim 1, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項1〜5のいずれか1項記載の材料。The material according to any one of claims 1 to 5, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 x 10-5 S / cm at a temperature of 20 to 150C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項1〜6のいずれか1項記載の材料。 The material according to any one of claims 1 to 6, wherein the proton conductive polymer is one or more of a group of hydrocarbon-based polymers that can be dissolved in a polar organic solvent. 前記極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる請求項7記載の材料。 8. The material according to claim 7, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項1〜8のいずれか1項記載の材料。 The material according to any one of claims 1 to 8, wherein the proton conductive polymer is one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group. 前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項1〜9のいずれか1項記載の材料。 The material according to claim 1, wherein the proton conductive polymer is chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles. 前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、10−3S/cm〜1S/cmである請求項1〜10のいずれか1項記載の材料。The material according to any one of claims 1 to 10, wherein the proton-conductive hybrid material is 10 -3 S / cm to 1 S / cm at a temperature of -20 to 150 ° C under low and high humidity. プロトン伝導性ハイブリッド材料及び極性有機溶媒を有する分散体であって、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料がN,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる前記極性有機溶媒に均一に分散され、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子とプロトン伝導性ポリマーとを有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記分散体。 A dispersion having a proton conductive hybrid material and a polar organic solvent, wherein the proton conductive hybrid material is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. Uniformly dispersed in a polar organic solvent, the proton conducting hybrid material has proton conducting inorganic nanoparticles and a proton conducting polymer, and the Stokes particle size of the proton conducting hybrid material is determined by a dynamic light scattering method. The dispersion described above, which is 20 nm or less. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項12記載の分散体。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. The dispersion according to claim 12 which is a seed. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項12又は13記載の分散体。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3) 2, Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P-R 1 -SO 3 H) 2, Zr (O 3 P-R 1 -SO 3 H) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R) 3 -COOH) in x · nH 2 O (wherein, R 1, R 2, and R 3 each independently claim 12 is at least one selected from the group consisting of a divalent aromatic group) Or the dispersion according to 13. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、チタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項12又は13記載の分散体。The proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO The dispersion according to claim 12 or 13, which is at least one selected from the group consisting of 3 ) 2 and Ti (HSO 3 ) 2 · nH 2 O. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項12〜15のいずれか1項記載の分散体。 The dispersion according to any one of claims 12 to 15, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項12〜16のいずれか1項記載の分散体。The dispersion according to any one of claims 12 to 16, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 x 10-5 S / cm at a temperature of 20 to 150C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、前記極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項12〜17のいずれか1項記載の分散体。 The dispersion according to any one of claims 12 to 17, wherein the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in the polar organic solvent. 前記極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれる請求項12〜18のいずれか1項記載の分散体。 The dispersion according to any one of claims 12 to 18, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項12〜19のいずれか1項記載の分散体。 The dispersion according to any one of claims 12 to 19, wherein the proton conductive polymer is one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group. 前記プロトン伝導性ポリマーは、前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項12〜20のいずれか1項記載の分散体。 The dispersion according to any one of claims 12 to 20, wherein the proton conductive polymer is chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles. プロトン伝導性ハイブリッド材料及び極性有機溶媒を有する分散体の製造方法であって、該方法は、
プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注いで、前記有機溶媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する前記分散体を得る工程を有し、
前記材料は、前記プロトン伝導性無機ナノ粒子及び前記プロトン伝導性ポリマーを有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記方法。
A method for producing a dispersion having a proton conductive hybrid material and a polar organic solvent, the method comprising:
Dissolving a proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductivity to a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent Dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion, or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, and the organic solvent and proton conductivity. Obtaining the dispersion with a hybrid material,
The method as described above, wherein the material has the proton conductive inorganic nanoparticles and the proton conductive polymer, and the Stokes particle size of the proton conductive hybrid material by a dynamic light scattering method is 20 nm or less.
前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を、得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有する請求項22記載の方法。 23. The method of claim 22, further comprising adding a poor organic solvent for the proton conducting polymer to the resulting dispersion to obtain a dispersion having a proton conducting hybrid material having a smaller Stokes particle size. 前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれる請求項23記載の方法。 24. The method of claim 23, wherein the poor organic solvent is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項22〜24のいずれか1項記載の方法。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. 25. A method according to any one of claims 22 to 24 which is a seed. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項22〜25のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3) 2, Zr (HSO 3 ) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P-R 1 -SO 3 H) 2, Zr (O 3 P-R 1 -SO 3 H) 2 · nH 2 O, Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R) 3 -COOH) in x · nH 2 O (wherein, R 1, R 2, and R 3 are each independently at least one kind of claim selected from the group consisting of a divalent aromatic group) 22 The method of any one of -25. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項22〜25のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3). ) 2, and Ti (HSO 3) the method of any one of claims 22 to 25 is at least one selected from the group consisting of 2 · nH 2 O. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項22〜27のいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 22 to 27, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項22〜28のいずれか1項記載の方法。The method according to any one of claims 22 to 28, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 x 10-5 S / cm at a temperature of 20 to 150C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、前記極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項22〜29のいずれか1項記載の方法。 30. A method according to any one of claims 22 to 29, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of hydrocarbon-based polymers that can be dissolved in the polar organic solvent. 前記第1及び/又は第2の極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれる請求項22〜30のいずれか1項記載の方法。 31. The method according to any one of claims 22 to 30, wherein the first and / or second polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項22〜31のいずれか1項記載の方法。 32. A method according to any one of claims 22 to 31, wherein the proton conducting polymer is one or more of a sulfonated hydrocarbon-based polymer group. ナノ粒子分散体にポリマー溶液を注ぐ工程又はポリマー溶液にナノ粒子分散体を注ぐ工程において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項22〜32のいずれか1項記載の方法。 In the step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or the step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and part or all of the proton conductive polymer 33. The method according to any one of claims 22 to 32, wherein one end of said is chemically bonded to said proton conducting inorganic nanoparticles. プロトン伝導性ポリマー及びプロトン伝導性無機ナノ粒子を有するプロトン伝導性ハイブリッド材料の製造方法であって、該方法は、
プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注いで、前記有機溶媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する前記分散体を得る工程;及び
得られた分散体から前記第1及び第2の極性有機溶媒を除去し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料を得る工程;を有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記方法。
A method for producing a proton conducting hybrid material having a proton conducting polymer and proton conducting inorganic nanoparticles, the method comprising:
Dissolving a proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductivity in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent Dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion, or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, and the organic solvent and proton conductivity. Obtaining the dispersion having a hybrid material; and removing the first and second polar organic solvents from the obtained dispersion to obtain the proton conductive hybrid material;
The method as described above, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method.
前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有する請求項34記載の方法。 35. The method of claim 34, further comprising the step of obtaining a dispersion having a proton-conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size in addition to the resulting dispersion of a poor organic solvent for the proton-conductive polymer. 前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれる請求項35記載の方法。 36. The method of claim 35, wherein the poor organic solvent is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項34〜36のいずれか1項記載の方法。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. 37. A method according to any one of claims 34 to 36 which is a seed. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子はジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項34〜37のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr ( O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein, R 1, R 2, and R 3 are each independently at least one kind of claim 34 to be selected from the group consisting of a divalent aromatic group) 38. The method according to any one of 37. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項34〜37のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3). ) 2, and Ti (HSO 3) the method of any one of claims 34 to 37 is at least one selected from the group consisting of 2 · nH 2 O. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項34〜39のいずれか1項記載の方法。 40. The method according to any one of claims 34 to 39, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項34〜40のいずれか1項記載の方法。41. The method according to any one of claims 34 to 40, wherein the proton conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 x 10-5 S / cm at a temperature of 20 to 150C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、前記極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項34〜41のいずれか1項記載の方法。 42. A method according to any one of claims 34 to 41, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of hydrocarbon-based polymers that can be dissolved in the polar organic solvent. 前記第1及び/又は第2の極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれる請求項34〜42のいずれか1項記載の方法。 43. The method according to any one of claims 34 to 42, wherein the first and / or second polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項34〜43のいずれか1項記載の方法。 44. A method according to any one of claims 34 to 43, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of sulfonated hydrocarbon-based polymers. ナノ粒子分散体にポリマー溶液を注ぐ工程又はポリマー溶液にナノ粒子分散体を注ぐ工程において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項34〜44のいずれか1項記載の方法。 In the step of pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or the step of pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution, the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and part or all of the proton conductive polymer 45. The method according to any one of claims 34 to 44, wherein one end of said is chemically bonded to said proton conductive inorganic nanoparticles. 電子伝導体、触媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層であって、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記触媒層。
A catalyst layer for a fuel cell comprising an electron conductor, a catalyst, and a proton conductive hybrid material,
The proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer;
The catalyst layer, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method.
前記触媒層は、前記触媒が前記電子伝導体の表面に担持され、且つ前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記触媒が配置される位置の近傍に配置されるように、構成される請求項46記載の触媒層。 The said catalyst layer is comprised so that the said catalyst may be carry | supported on the surface of the said electronic conductor, and the said proton conductive hybrid material is arrange | positioned in the vicinity of the position where the said catalyst is arrange | positioned. Catalyst layer. 前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記電子伝導体と物理的に及び/又は化学的に結合している請求項46又は47記載の触媒層。 48. The catalyst layer according to claim 46 or 47, wherein the proton-conductive hybrid material is physically and / or chemically bonded to the electron conductor. 前記電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体又は金属系多孔質電子伝導体である請求項46〜48のいずれか1項記載の触媒層。 The catalyst layer according to any one of claims 46 to 48, wherein the electron conductor is a carbon-based porous electron conductor or a metal-based porous electron conductor. 前記電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体であり、該カーボン系多孔質電子伝導体は、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭及びグラスカーボンからなる群から選ばれる請求項46〜49のいずれか1項記載の触媒層。 The electron conductor is a carbon-based porous electron conductor, and the carbon-based porous electron conductor is selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, activated carbon, and glass carbon. The catalyst layer according to any one of claims 46 to 49, which is selected. 前記電子伝導体は、その粒径が300nm以下である請求項46〜50のいずれか1項記載の触媒層。 The catalyst layer according to any one of claims 46 to 50, wherein the electron conductor has a particle size of 300 nm or less. 前記触媒は、貴金属系触媒群及び有機触媒群からなる群から選ばれる請求項46〜51のいずれか1項記載の触媒層。 52. The catalyst layer according to any one of claims 46 to 51, wherein the catalyst is selected from the group consisting of a noble metal catalyst group and an organic catalyst group. 前記触媒は、その粒径が30nm以下である請求項46〜52のいずれか1項記載の触媒層。 The catalyst layer according to any one of claims 46 to 52, wherein the catalyst has a particle size of 30 nm or less. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項46〜53のいずれか1項記載の触媒層。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. The catalyst layer according to any one of claims 46 to 53, which is a seed. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子がジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項46〜54のいずれか1項記載の触媒層。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, and the zirconium compounds include ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr ( O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 -COOH) x · nH 2 O (wherein, R 1, R 2, and R 3 are each independently at least one kind of claim 46 to be selected from the group consisting of a divalent aromatic group) 54. The catalyst layer according to any one of 54. 前記プロトン伝導性無機ナノ粒子がチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項46〜54のいずれか1項記載の触媒層。The proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3). ) 2, and Ti (HSO 3) at least one kind is selected from the group consisting of 2 · nH 2 O catalyst layer of any one of claims 46-54. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項46〜56のいずれか1項記載の触媒層。 57. The catalyst layer according to any one of claims 46 to 56, wherein the proton conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項46〜57のいずれか1項記載の触媒層。58. The catalyst layer according to any one of claims 46 to 57, wherein the proton conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 × 10 −5 S / cm at a temperature of 20 to 150 ° C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項46〜58のいずれか1項記載の触媒層。 59. The catalyst layer according to any one of claims 46 to 58, wherein the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent. 前記極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群からなる群から選ばれる請求項59記載の触媒層。 60. The catalyst layer according to claim 59, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項46〜60のいずれか1項記載の触媒層。 The catalyst layer according to any one of claims 46 to 60, wherein the proton conductive polymer is one or more of a sulfonated hydrocarbon-based polymer group. 前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項46〜61のいずれか1項記載の触媒層。 The catalyst layer according to any one of claims 46 to 61, wherein the proton conductive polymer is chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles. 電子伝導体、触媒及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層の製造方法であって、該方法は、
a)前記触媒を前記電子伝導体に担持させる工程;
b)プロトン伝導性ハイブリッド材料が極性有機溶媒に分散したプロトン伝導性ハイブリッド材料分散体を準備する工程;
c)前記分散体を、前記触媒を担持した前記電子伝導体と混合し、混合体を得る工程;及び
d)該混合体を燃料電池用拡散層に塗布し、燃料電池用触媒層を得る工程;を有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記方法。
A method for producing a fuel cell catalyst layer comprising an electron conductor, a catalyst, and a proton conductive hybrid material, the method comprising:
a) supporting the catalyst on the electron conductor;
b) preparing a proton conductive hybrid material dispersion in which the proton conductive hybrid material is dispersed in a polar organic solvent;
c) mixing the dispersion with the electronic conductor carrying the catalyst to obtain a mixture; and d) applying the mixture to a fuel cell diffusion layer to obtain a fuel cell catalyst layer. Having
The proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer;
The method as described above, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method.
前記工程c)の際、又は前記工程c)後であって前記工程d)前に、前記混合物に結合剤を混合する工程をさらに有する請求項63記載の方法。 64. The method of claim 63, further comprising the step of mixing a binder with the mixture during step c) or after step c) and before step d). 前記混合物中の溶媒を除去して該混合物の粘度を調整する工程をさらに有する請求項63又は64記載の方法。 The method according to claim 63 or 64, further comprising the step of adjusting the viscosity of the mixture by removing a solvent in the mixture. 前記工程b)は
前記プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注ぐ工程;をさらに有する請求項63〜65のいずれか1項記載の方法。
In the step b), the proton conductive polymer is dissolved in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution. Process;
Proton conductivity in a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent 64. The method further comprising: dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution. 66. The method according to any one of 65.
前記工程b)は、前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有する請求項66記載の方法。 67. The step b) further comprises a step of obtaining a dispersion having a proton conductive hybrid material having a smaller Stokes particle size in addition to the obtained dispersion of a poor organic solvent for the proton conductive polymer. the method of. 前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれる請求項67記載の方法。 68. The method of claim 67, wherein the poor organic solvent is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane. 前記工程b)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項63〜68のいずれか1項記載の方法。 In the step b), the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and a part or all of one end of the proton conductive polymer is chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles. Item 69. The method according to any one of Items 63 to 68. 前記触媒層は、前記触媒が前記電子伝導体の表面に担持され、且つ前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記触媒が配置される位置の近傍に配置されるように、構成される請求項63〜69のいずれか1項記載の方法。 The said catalyst layer is comprised so that the said catalyst may be carry | supported on the surface of the said electronic conductor, and the said proton conductive hybrid material is arrange | positioned in the vicinity of the position where the said catalyst is arrange | positioned. 70. The method according to any one of 69. 前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、前記電子伝導体と物理的に及び/又は化学的に結合している請求項63〜70のいずれか1項記載の方法。 71. A method according to any one of claims 63 to 70, wherein the proton conducting hybrid material is physically and / or chemically bonded to the electronic conductor. 前記電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体又は金属系多孔質電子伝導体である請求項63〜71のいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 63 to 71, wherein the electron conductor is a carbon-based porous electron conductor or a metal-based porous electron conductor. 前記電子伝導体は、カーボン系多孔質電子伝導体であり、該カーボン系多孔質電子伝導体は、カーボンブラック、アセチレンブラック、グラファイト、カーボンファイバ、カーボンナノチューブ、フラーレン、活性炭及びグラスカーボンからなる群から選ばれる請求項63〜72のいずれか1項記載の方法。 The electron conductor is a carbon-based porous electron conductor, and the carbon-based porous electron conductor is selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, graphite, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene, activated carbon, and glass carbon. 73. The method according to any one of claims 63 to 72, which is selected. 前記電子伝導体は、その粒径が300nm以下である請求項63〜73のいずれか1項記載の方法。 74. The method according to any one of claims 63 to 73, wherein the electron conductor has a particle size of 300 nm or less. 前記触媒は、貴金属系触媒群及び有機触媒群からなる群から選ばれる請求項63〜74のいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 63 to 74, wherein the catalyst is selected from the group consisting of a noble metal catalyst group and an organic catalyst group. 前記触媒は、その粒径が30nm以下である請求項63〜75のいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 63 to 75, wherein the catalyst has a particle size of 30 nm or less. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項63〜76のいずれか1項記載の方法。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. 77. A method according to any one of claims 63 to 76. プロトン伝導性無機ナノ粒子はジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項63〜77のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ). 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H ) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 - COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 , and R 3 each independently represents a divalent aromatic group), and is at least one selected from the group consisting of: The method of any one of these. プロトン伝導性無機ナノ粒子はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項63〜77のいずれか1項記載の方法。Proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, which are TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ). 2, and Ti (HSO 3) the method of any one of claims 63 to 77 is at least one selected from the group consisting of 2 · nH 2 O. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項63〜79のいずれか1項記載の方法。 The method according to any one of claims 63 to 79, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項63〜80のいずれか1項記載の方法。The method according to any one of claims 63 to 80, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity of the order of 1 x 10-5 S / cm at a temperature of 20 to 150C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項63〜81のいずれか1項記載の方法。 82. A method according to any one of claims 63 to 81, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of hydrocarbon-based polymers that can be dissolved in a polar organic solvent. 極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる請求項66〜82のいずれか1項記載の方法。 83. The method according to any one of claims 66 to 82, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項63〜83のいずれか1項記載の方法。 84. A method according to any one of claims 63 to 83, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of sulfonated hydrocarbon-based polymers. プロトン伝導性ハイブリッド材料を有する、燃料電池用電解質膜であって、該プロトン伝導性ハイブリッド材料はプロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記電解質膜。 An electrolyte membrane for a fuel cell having a proton conductive hybrid material, the proton conductive hybrid material having proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer, and dynamic light scattering of the proton conductive hybrid material Said electrolyte membrane whose Stokes particle size by a method is 20 nm or less. 前記電解質膜は基材を有し、前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は該基材に化学的及び/又は物理的に結合する請求項85記載の電解質膜。 86. The electrolyte membrane according to claim 85, wherein the electrolyte membrane has a substrate, and the proton conductive hybrid material is chemically and / or physically bonded to the substrate. 前記基材は、多孔性ポリマー及び多孔性セラミックからなる群から選ばれる請求項86記載の電解質膜。 90. The electrolyte membrane according to claim 86, wherein the substrate is selected from the group consisting of a porous polymer and a porous ceramic. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項85〜87のいずれか1項記載の電解質膜。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 87. プロトン伝導性無機ナノ粒子はジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項85〜88のいずれか1項記載の電解質膜。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ). 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H ) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 - COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 , and R 3 each independently represents a divalent aromatic group), and is at least one selected from the group consisting of 85 to 88. The electrolyte membrane according to any one of the above. プロトン伝導性無機ナノ粒子はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項85〜87のいずれか1項記載の電解質膜。Proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, which are TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ). 2, and Ti (HSO 3) 2 · nH 2 at least one kind of any one electrolyte membrane according to claim 85 to 87 in which O is selected from the group consisting of. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項85〜90のいずれか1項記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 90, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項85〜91のいずれか1項記載の電解質膜。92. The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 91, wherein the proton conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 × 10 −5 S / cm at a temperature of 20 to 150 ° C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項85〜92のいずれか1項記載の電解質膜。 The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 92, wherein the proton conductive polymer is one or more of a hydrocarbon-based polymer group that can be dissolved in a polar organic solvent. 極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる請求項93記載の電解質膜。 94. The electrolyte membrane according to claim 93, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項85〜94のいずれか1項記載の電解質膜。 95. The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 94, wherein the proton conductive polymer is one or more of a sulfonated hydrocarbon polymer group. 前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項85〜95のいずれか1項記載の電解質膜。 96. The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 95, wherein the proton conductive polymer is chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles. 前記燃料電池用電解質膜は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、10−2S/cm〜5S/cmである請求項85〜96のいずれか1項記載の電解質膜。The electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 96, wherein the electrolyte membrane for a fuel cell is 10 -2 S / cm to 5 S / cm at a temperature of -20 to 150 ° C under low and high humidity. 多孔性基材及びプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用電解質膜の製造方法であって、該方法は、
x)前記プロトン伝導性ハイブリッド材料が極性有機溶媒に分散されるプロトン伝導性ハイブリッド材料分散体を準備する工程;及び
y)前記分散体を前記基材の孔又は前記基材の孔及び表面に塗布し、燃料電池用電解質膜を得る工程;を有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、プロトン伝導性無機ナノ粒子及びプロトン伝導性ポリマーを有し、
前記プロトン伝導性ハイブリッド材料の動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記方法。
A method for producing an electrolyte membrane for a fuel cell having a porous substrate and a proton conductive hybrid material, the method comprising:
x) preparing a proton conductive hybrid material dispersion in which the proton conductive hybrid material is dispersed in a polar organic solvent; and y) applying the dispersion to the holes of the substrate or the holes and surface of the substrate. And obtaining a fuel cell electrolyte membrane,
The proton conductive hybrid material has proton conductive inorganic nanoparticles and a proton conductive polymer;
The method as described above, wherein the proton conductive hybrid material has a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method.
前記工程x)は、
前記プロトン伝導性ポリマーを、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第1の極性有機溶媒に溶解しポリマー溶液を得る工程;
前記第1の極性有機溶媒と同じであるか又は異なる、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる第2の極性有機溶媒にプロトン伝導性無機ナノ粒子を分散させ、ナノ粒子分散体を得る工程;及び
前記ポリマー溶液を前記ナノ粒子分散体へ注ぐか、又は前記ナノ粒子分散体を前記ポリマー溶液に注ぐ工程;をさらに有する請求項98記載の方法。
Said step x)
Dissolving the proton conductive polymer in a first polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide to obtain a polymer solution;
Proton conductivity to a second polar organic solvent selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide which is the same as or different from the first polar organic solvent 99. The method further comprising: dispersing inorganic nanoparticles to obtain a nanoparticle dispersion; and pouring the polymer solution into the nanoparticle dispersion or pouring the nanoparticle dispersion into the polymer solution. the method of.
前記工程b)は、前記プロトン伝導性ポリマーに対する貧有機溶媒を、得られた分散体に加えて、ストークス粒径がさらに小さいプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する分散体を得る工程をさらに有する請求項99記載の方法。 99. The step b) further comprises adding a poor organic solvent for the proton conducting polymer to the resulting dispersion to obtain a dispersion having a proton conducting hybrid material with a smaller Stokes particle size. The method described. 前記貧有機溶媒は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール及びヘキサンからなる群から選ばれる請求項100記載の方法。 101. The method of claim 100, wherein the poor organic solvent is selected from the group consisting of methanol, ethanol, isopropanol, butanol and hexane. 前記工程x)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記プロトン伝導性無機ナノ粒子と化学的に結合する請求項98〜101のいずれか1項記載の方法。 In the step x), the proton conductive polymer reacts with the proton conductive inorganic nanoparticles, and a part or all of one end of the proton conductive polymer is chemically bonded to the proton conductive inorganic nanoparticles. Item 101. The method according to any one of Items 98 to 101. 前記工程y)において、前記プロトン伝導性ポリマーが前記基材の孔及び/又は表面と反応し、前記プロトン伝導性ポリマーの一部又は全部の一端が前記基材と化学的に結合する請求項98〜102のいずれか1項記載の方法。 99. In the step y), the proton conductive polymer reacts with pores and / or surfaces of the substrate, and a part or all of one end of the proton conductive polymer is chemically bonded to the substrate. 102. The method of any one of -102. 前記基材は、多孔性ポリマー及び多孔性セラミックからなる群から選ばれる請求項98〜103のいずれか1項記載の方法。 104. The method according to any one of claims 98 to 103, wherein the substrate is selected from the group consisting of a porous polymer and a porous ceramic. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項98〜104のいずれか1項記載の方法。 The proton conductive inorganic nanoparticles are at least one selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. 105. A method according to any one of claims 98 to 104. プロトン伝導性無機ナノ粒子はジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項98〜105のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr (HSO 3 ). 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H ) 2-x (O 3 P-R 3 -COOH) x, and Zr (O 3 P-R 2 -SO 3 H) 2-x (O 3 P-R 3 - COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 , and R 3 each independently represents a divalent aromatic group) is at least one selected from the group consisting of claims 98 to 105 The method of any one of these. プロトン伝導性無機ナノ粒子はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項98〜105のいずれか1項記載の方法。Proton conductive inorganic nanoparticles are titanium compounds, which are TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti (HSO 3 ). 2, and Ti (HSO 3) the method of any one of claims 98 to 105 is at least one selected from the group consisting of 2 · nH 2 O. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である請求項98〜107のいずれか1項記載の方法。 108. The method according to any one of claims 98 to 107, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項98〜108のいずれか1項記載の方法。109. The method according to any one of claims 98 to 108, wherein the proton conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 * 10 < -5 > S / cm at a temperature of 20 to 150 <0> C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項98〜109のいずれか1項記載の方法。 110. A method according to any one of claims 98 to 109, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of hydrocarbon-based polymers that can be dissolved in a polar organic solvent. 極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド及び1-メチルピロリドンからなる群から選ばれる請求項99〜110のいずれか1項記載の方法。 111. The method according to any one of claims 99 to 110, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide and 1-methylpyrrolidone. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項98〜111のいずれか1項記載の方法。 112. A method according to any one of claims 98 to 111, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of sulfonated hydrocarbon-based polymers. プロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体と極性有機溶媒とを有する分散体であって、前記プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は前記極性有機溶媒に均一に分散し、且つプロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記分散体。 Proton-conducting inorganic nanoparticles or a dispersion comprising the proton-conducting inorganic nanoparticle precursor and a polar organic solvent, wherein the proton-conducting inorganic nanoparticles or precursor thereof are uniformly dispersed in the polar organic solvent. In addition, the proton conductive inorganic nanoparticle or a precursor thereof is the above dispersion, wherein the Stokes particle size by a dynamic light scattering method is 20 nm or less. 極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる請求項113記載の分散体。 114. The dispersion of claim 113, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項113又は114記載の分散体。 The proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. The dispersion according to claim 113 or 114, which is at least one selected from the group consisting of: プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体はジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項113〜115のいずれか1項記載の分散体。The proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr. (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O , Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P —R 3 —COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 , and R 3 each independently represents a divalent aromatic group) is at least one selected from the group consisting of 120. The dispersion according to any one of Items 113 to 115. プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項113〜115のいずれか1項記載の分散体。The proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti. (HSO 3) 2, and Ti (HSO 3) is at least one selected from the group consisting of 2 · nH 2 O dispersion described in any one of claims 113-115. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項113〜117のいずれか1項記載の分散体。118. The dispersion according to any one of claims 113 to 117, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 × 10 −5 S / cm at a temperature of 20 to 150 ° C. プロトン伝導性無機ナノ粒子又は該プロトン伝導性無機ナノ粒子前駆体と極性有機溶媒とを有する分散体の製造方法であって、該方法は、
i)プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体を調製する工程;及び
ii)前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を前記極性有機溶媒に均一に分散する工程を有し、
プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、動的光散乱法によるストークス粒径が20nm以下である、上記方法。
A method for producing a dispersion having proton conductive inorganic nanoparticles or a proton conductive inorganic nanoparticle precursor and a polar organic solvent, the method comprising:
i) preparing proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof; and
ii) having the step of uniformly dispersing the proton conductive nano-inorganic particles or precursors thereof in the polar organic solvent,
The above method, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof have a Stokes particle size of 20 nm or less by a dynamic light scattering method.
前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を調製する工程は、
金属アルコキシド(金属は、ジルコニウム、チタン、セリウム、ウラン、スズ、バナジウム、ヒ素及びカルシウムからなる群から選ばれる)の有機溶媒の溶液を調製する工程;及び
前記溶液を加水分解して前記プロトン伝導性ナノ無機粒子又はその前駆体を得る工程;をさらに有する請求項119記載の方法。
The step of preparing the proton conductive nano inorganic particles or precursors thereof,
Preparing a solution of an organic solvent of a metal alkoxide (where the metal is selected from the group consisting of zirconium, titanium, cerium, uranium, tin, vanadium, arsenic, and calcium); and hydrolyzing the solution to provide the proton conductivity 120. The method of claim 119, further comprising the step of obtaining nano-inorganic particles or a precursor thereof.
極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群から選ばれる請求項119又は120記載の方法。 121. The method according to claim 119 or 120, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体は、ジルコニウム化合物、チタン化合物、セリウム化合物、ウラン化合物、スズ化合物、バナジウム化合物、アンチモン化合物、並びにカルシウム・ヒドロキシアパタイト及び水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項119〜121のいずれか1項記載の方法。 The proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are selected from the group consisting of zirconium compounds, titanium compounds, cerium compounds, uranium compounds, tin compounds, vanadium compounds, antimony compounds, and calcium hydroxyapatite and hydrated calcium hydroxyapatite. 122. The method according to any one of claims 119 to 121, wherein the method is at least one selected from the group consisting of: プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体はジルコニウム化合物であり、該ジルコニウム化合物は、ZrO、ZrO・nHO、Zr(HPO、Zr(HPO・nHO、Zr(HSO、Zr(HSO・nHO、Zr(OP−R−SOH)、Zr(OP−R−SOH)・nHO、Zr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項119〜122のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are zirconium compounds, which are ZrO 2 , ZrO 2 .nH 2 O, Zr (HPO 4 ) 2 , Zr (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Zr. (HSO 3 ) 2 , Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 .nH 2 O , Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2-x (O 3 P —R 3 —COOH) x · nH 2 O (wherein R 1 , R 2 , and R 3 each independently represents a divalent aromatic group) is at least one selected from the group consisting of 122. The method according to any one of items 119 to 122. プロトン伝導性無機ナノ粒子又はその前駆体はチタン化合物であり、該チタン化合物は、TiO、TiO・nHO、Ti(HPO、Ti(HPO・nHO、Ti(HSO、及びTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項119〜122のいずれか1項記載の方法。The proton conductive inorganic nanoparticles or precursors thereof are titanium compounds, and the titanium compounds include TiO 2 , TiO 2 .nH 2 O, Ti (HPO 4 ) 2 , Ti (HPO 4 ) 2 .nH 2 O, Ti. The method according to any one of claims 119 to 122, wherein the method is at least one selected from the group consisting of (HSO 3 ) 2 and Ti (HSO 3 ) 2 · nH 2 O. プロトン伝導性無機ナノ粒子は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項119〜124のいずれか1項記載の方法。125. The method according to any one of claims 119 to 124, wherein the proton-conductive inorganic nanoparticles have a proton conductivity on the order of 1 x 10-5 S / cm at a temperature of 20 to 150C. プロトン伝導性無機メソポーラス材料及びプロトン伝導性ポリマーを有するプロトン伝導性ハイブリッド材料であって、前記プロトン伝導性無機メソポーラス材料の細孔径が20nm以下である、上記材料。 A proton conductive hybrid material having a proton conductive inorganic mesoporous material and a proton conductive polymer, wherein the proton conductive inorganic mesoporous material has a pore diameter of 20 nm or less. プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、メソポーラスジルコニウム化合物、メソポーラスチタン化合物、メソポーラスセリウム化合物、メソポーラスウラン化合物、メソポーラススズ化合物、メソポーラスバナジウム化合物、メソポーラスアンチモン化合物、並びにメソポーラスカルシウム・ヒドロキシアパタイト及びメソポーラス水和カルシウム・ヒドロキシアパタイトからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項126記載の材料。 Proton conductive inorganic mesoporous materials include mesoporous zirconium compounds, mesoporous titanium compounds, mesoporous cerium compounds, mesoporous uranium compounds, mesoporous tin compounds, mesoporous vanadium compounds, mesoporous antimony compounds, and mesoporous calcium hydroxyapatite and mesoporous hydrated calcium hydroxyapatite. 127. The material according to claim 126, wherein the material is at least one selected from the group consisting of: プロトン伝導性無機メソポーラス材料はメソポーラスジルコニウム化合物であり、該メソポーラスジルコニウム化合物は、メソポーラスZrO、メソポーラスZrO・nHO、メソポーラスZr(HPO、メソポーラスZr(HPO・nHO、メソポーラスZr(HSO、メソポーラスZr(HSO・nHO、メソポーラスZr(OP−R−SOH)、メソポーラスZr(OP−R−SOH)・nHO、メソポーラスZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)、及びメソポーラスZr(OP−R−SOH)2−x(OP−R−COOH)・nHO(式中、R、R、及びRは各々独立に、二価の芳香族基を示す)からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項126又は127記載の材料。The proton conductive inorganic mesoporous material is a mesoporous zirconium compound, and the mesoporous zirconium compound includes mesoporous ZrO 2 , mesoporous ZrO 2 · nH 2 O, mesoporous Zr (HPO 4 ) 2 , and mesoporous Zr (HPO 4 ) 2 · nH 2 O. , Mesoporous Zr (HSO 3 ) 2 , mesoporous Zr (HSO 3 ) 2 .nH 2 O, mesoporous Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) 2 , mesoporous Zr (O 3 P—R 1 —SO 3 H) ) 2 · nH 2 O, mesoporous Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) 2−x (O 3 P—R 3 —COOH) x , and mesoporous Zr (O 3 P—R 2 —SO 3 H) ) each 2-x (O 3 P- R 3 -COOH) x · nH 2 O ( wherein, R 1, R 2, and R 3 The standing, the material according to claim 126 or 127, wherein at least one selected from the group consisting of a divalent aromatic group). プロトン伝導性無機メソポーラス材料はメソポーラスチタン化合物であり、該メソポーラスチタン化合物は、メソポーラスTiO、メソポーラスTiO・nHO、メソポーラスTi(HPO、メソポーラスTi(HPO・nHO、メソポーラスTi(HSO、及びメソポーラスTi(HSO・nHOからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項126又は127記載の材料。The proton conductive inorganic mesoporous material is a mesoporous titanium compound, and the mesoporous titanium compound includes mesoporous TiO 2 , mesoporous TiO 2 · nH 2 O, mesoporous Ti (HPO 4 ) 2 , and mesoporous Ti (HPO 4 ) 2 · nH 2 O. 128. The material according to claim 126 or 127, which is at least one selected from the group consisting of: mesoporous Ti (HSO 3 ) 2 and mesoporous Ti (HSO 3 ) 2 .nH 2 O. プロトン伝導性無機メソポーラス材料は、温度20〜150℃において、1×10−5S/cmのオーダーのプロトン伝導性を有する請求項126〜129のいずれか1項記載の材料。131. The material according to any one of claims 126 to 129, wherein the proton conductive inorganic mesoporous material has a proton conductivity on the order of 1 × 10 −5 S / cm at a temperature of 20 to 150 ° C. 前記プロトン伝導性ポリマーは、極性有機溶媒に溶解することができる、炭化水素系ポリマー群のうちの1つ又はそれ以上である請求項126〜130のいずれか1項記載の材料。 131. A material according to any one of claims 126 to 130, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of hydrocarbon-based polymers that can be dissolved in a polar organic solvent. 極性有機溶媒は、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、1-メチルピロリドン及びN-メチルアセトアミドからなる群からなる群から選ばれる請求項131記載の材料。 132. The material of claim 131, wherein the polar organic solvent is selected from the group consisting of N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, 1-methylpyrrolidone and N-methylacetamide. 前記プロトン伝導性ポリマーは、スルホン化炭化水素系ポリマー群の1つ又はそれ以上である請求項126〜132のいずれか1項記載の材料。 The material according to any one of claims 126 to 132, wherein the proton conducting polymer is one or more of a group of sulfonated hydrocarbon-based polymers. 前記プロトン伝導性ポリマーは前記プロトン伝導性無機メソポーラス材料と化学的に結合する請求項126〜133のいずれか1項記載の材料。 134. A material according to any one of claims 126 to 133, wherein the proton conducting polymer is chemically bonded to the proton conducting inorganic mesoporous material. 前記プロトン伝導性ハイブリッド材料は、低湿度及び高湿度下、温度−20〜150℃において、プロトン伝導性が10−3S/cm〜1S/cmである請求項126〜134のいずれか1項記載の材料。135. The proton conductive hybrid material has proton conductivity of 10 < -3 > S / cm to 1 S / cm at a temperature of -20 to 150 [deg.] C. under low and high humidity. Material. 請求項1〜11のいずれか1項記載のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池。 A fuel cell comprising the proton-conductive hybrid material according to claim 1. 請求項46〜62のいずれか1項記載の触媒層を有する燃料電池。 63. A fuel cell comprising the catalyst layer according to any one of claims 46 to 62. 請求項85〜97のいずれか1項記載の電解質膜を有する燃料電池。 A fuel cell comprising the electrolyte membrane according to any one of claims 85 to 97. 請求項126〜135のいずれか1項記載のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池。 A fuel cell comprising the proton conductive hybrid material according to any one of claims 126 to 135. 請求項126〜135のいずれか1項記載のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用触媒層。 135. A fuel cell catalyst layer comprising the proton conductive hybrid material according to any one of claims 126 to 135. 請求項140記載の触媒層を有する燃料電池。 141. A fuel cell having the catalyst layer of claim 140. 請求項126〜135のいずれか1項記載のプロトン伝導性ハイブリッド材料を有する燃料電池用電解質膜。 136. An electrolyte membrane for a fuel cell comprising the proton conductive hybrid material according to any one of claims 126 to 135. 請求項142記載の電解質膜を有する燃料電池。 143. A fuel cell comprising the electrolyte membrane according to claim 142.
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